NIR Spectroscopic and Laser Induced Fluorescence studies of some organic molecules

Vibrational overtone spectroscopy of molecules containing X-H oscillators (X = C, N, O...) has become an effective tool for the study of molecular structure, dynamics, inter and intramolecular interactions, conformational aspects and substituent effects in aliphatic and aromatic compounds. In the present work, the author studied the NIR overtone spectra of some liquid phase organic compounds. The analysis of the CH, NH and OH overtones yielded important structural information about these systems. In an attempt to get information on electronic energy levels, we studied the pulsed Nd:YAG laser induced fluorescence spectra of certain organic compounds. The pulsed laser Raman spectra of some organic compounds are also studied. The novel high resolution technique of near infrared tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) is used to record the rotational structure of the second OH overtone spectrum of 2-propanol. The spectral features corresponding to the different molecular conformations could be identified from the high resolution spectrum. The whole work described in this thesis is divided into five chapters.

Optimierung der laserinduzierten Plasmaspektroskopie an Metallen durch Femtosekunden-Doppelpulse für die Entwicklung eines hochauflösenden 3D-Rasterabbildungsverfahrens

Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS) ist eine spektrochemische Elementanalyse zur Bestimmung der atomaren Zusammensetzung einer beliebigen Probe. Für die Analyse ist keine spezielle Probenpräparation nötig und kann unter atmosphärischen Bedingungen an Proben in jedem Aggregatzustand durchgeführt werden. Femtosekunden Laserpulse bieten die Vorteile einer präzisen Ablation mit geringem thermischen Schaden sowie einer hohen Reproduzierbarkeit. Damit ist fs-LIPS ein vielversprechendes Werkzeug für die Mikroanalyse technischer Proben, insbesondere zur Untersuchung ihres Ermüdungsverhaltens. Dabei ist interessant, wie sich die initiierten Mikrorisse innerhalb der materialspezifschen Struktur ausbreiten. In der vorliegenden Arbeit sollte daher ein schnelles und einfach zu handhabendes 3D-Rasterabbildungsverfahren zur Untersuchung der Rissausbreitung in TiAl, einer neuen Legierungsklasse, entwickelt werden. Dazu wurde fs-LIPS (30 fs, 785 nm) mit einem modifizierten Mikroskopaufbau (Objektiv: 50x/NA 0.5) kombiniert, welcher eine präzise, automatisierte Probenpositionierung ermöglicht. Spektrochemische Sensitivität und räumliches Auflösungsvermögen wurden in energieabhängigen Einzel- und Multipulsexperimenten untersucht. 10 Laserpulse pro Position mit einer Pulsenergie von je 100 nJ führten in TiAl zum bestmöglichen Kompromiss aus hohem S/N-Verhältnis von 10:1 und kleinen Lochstrukturen mit inneren Durchmessern von 1.4 µm. Die für das Verfahren entscheidende laterale Auflösung, dem minimalen Lochabstand bei konstantem LIPS-Signal, beträgt mit den obigen Parametern 2 µm und ist die bislang höchste bekannte Auflösung einer auf fs-LIPS basierenden Mikro-/Mapping-Analyse im Fernfeld. Fs-LIPS Scans von Teststrukturen sowie Mikrorissen in TiAl demonstrieren eine spektrochemische Sensitivität von 3 %. Scans in Tiefenrichtung erzielen mit denselben Parametern eine axiale Auflösung von 1 µm. Um die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und ein besseres Verständnis für die physikalischen Prozesse während der Laserablation zu erhalten, wurde in Pump-Probe-Experimenten untersucht, in wieweit fs-Doppelpulse den laserinduzierten Abtrag sowie die Plasmaemission beeinflussen. Dazu wurden in einem Mach-Zehnder-Interferometer Pulsabstände von 100 fs bis 2 ns realisiert, Gesamtenergie und Intensitätsverhältnis beider Pulse variiert sowie der Einfluss der Materialparameter untersucht. Sowohl das LIPS-Signal als auch die Lochstrukturen zeigen eine Abhängigkeit von der Verzögerungszeit. Diese wurden in vier verschiedene Regimes eingeteilt und den physikalischen Prozessen während der Laserablation zugeordnet: Die Thermalisierung des Elektronensystems für Pulsabstände unter 1 ps, Schmelzprozesse zwischen 1 und 10 ps, der Beginn des Abtrags nach mehreren 10 ps und die Expansion der Plasmawolke nach über 100 ps. Dabei wird das LIPS-Signal effizient verstärkt und bei 800 ps maximal. Die Lochdurchmesser ändern sich als Funktion des Pulsabstands wenig im Vergleich zur Tiefe. Die gesamte Abtragsrate variiert um maximal 50 %, während sich das LIPS-Signal vervielfacht: Für Ti und TiAl typischerweise um das Dreifache, für Al um das 10-fache. Die gemessenen Transienten zeigen eine hohe Reproduzierbarkeit, jedoch kaum eine Energie- bzw. materialspezifische Abhängigkeit. Mit diesen Ergebnissen wurde eine gezielte Optimierung der DP-LIPS-Parameter an Al durchgeführt: Bei einem Pulsabstand von 800 ps und einer Gesamtenergie von 65 nJ (vierfach über der Ablationsschwelle) wurde eine 40-fache Signalerhöhung bei geringerem Rauschen erzielt. Die Lochdurchmesser vergrößerten sich dabei um 44 % auf (650±150) nm, die Lochtiefe um das Doppelte auf (100±15) nm. Damit war es möglich, die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und gleichzeitig die hohe räumliche Auflösung aufrecht zu erhalten.

Histopathology and laser autofluorescence of ischemic kidneys of rats

The purpose of this research was to evaluate the severity of renal ischemia/reperfusion injury as determined by histology and by laser-induced fluorescence (LIF) with excitation wavelengths of 442 nm and 532 nm. Wistar rats (four groups of six animals) were subjected to left renal warm ischemia for 20, 40, 60 and 80 min followed by 10 min of reperfusion. Autofluorescence was determined before ischemia (control) and then every 5-10 min thereafter. Tissue samples for histology were harvested from the right kidney (control) and from the left kidney after reperfusion. LIF and ischemia time showed a significant correlation (p < 0.0001 and r (2)=0.47, and p=0.006 and r (2)=0.25, respectively, for the excitation wavelengths of 442 nm and 532 nm). Histological scores showed a good correlation with ischemia time (p < 0.0001). The correlations between optical spectroscopy values and histological damage were: LIF at 442 nm p < 0.0001, LIF at 532 nm p=0.001; IFF (peak of back scattered light/LIF) at 442 nm p > 0.05, and IFF at 532 nm p > 0.05. After reperfusion LIF tended to return to preischemic basal levels which occurred in the presence of histological damage. This suggests that factors other than morphological alterations may have a more relevant effect on changes observed in LIF. In conclusion, renal ischemia/reperfusion changed tissue fluorescence induced by laser. The excitation light of 442 nm showed a better correlation with the ischemia time and with the severity of tissue injury.

Spectroscopic study of ejected dental tissue after Er : YAG laser ablation

By means of IR spectroscopy, we determined the teeth ablation mechanism by an Er:YAG laser oscillating at 2.94 mum. Ejected dental material, ablated by the laser from human teeth, was deposited on an IR window and the absorption spectra were measured in the range 2500-20,000 nm. Sound teeth were used, and the corresponding film spectra were compared to spectra obtained by traditional methods. The films spectra obtained do not differ appreciably from those obtained by the traditional method for sound teeth, indicating that the material ejected by an Er:YAG represents the tooth condition.The obtained results confirm that a spectroscopic analysis of a tooth treated with an Er:YAG laser can be done measuring the absorbance of a film composed of ejected material without the need to slice it. In addition, we could determine that the laser absorption occurs mainly by the interstitial water, and the temperature elevation of the ejected material does not exceed 60degreesC. (C) 2002 Elsevier B.V. B.V. All rights reserved.

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

Studio teorico e modellizzazione numerica degli effetti di preplasma in regime di accelerazione di ioni tramite laser

Argomento di questo lavoro di tesi è l’accelerazione di ioni tramite interazione laser-plasma. Nel particolare, uno studio teorico sui principali meccanismi di accelerazione e una campagna di simulazioni numeriche volte ad analizzare gli effetti sullo spettro energetico dei protoni accelerati dovuti al preplasma sono stati svolti. Quando laser ad impulsi brevi, ad alta intensità e a contrasto finito, interagiscono con un campione solido è presente un preimpulso che causa la formazione di una regione di preplasma antistante il bersaglio che può rendere più efficace l’accelerazione dei protoni. Vengono dunque introdotti nel primo capitolo i concetti e le tecniche base per studiare a livello teorico e numericamente le interazioni laser-plasma. Nel secondo capitolo sono trattati analiticamente alcuni meccanismi di accelerazione di ioni. Nel terzo ed ultimo capitolo vengono descritti gli effetti di preplasma ed esposti risultati di simulazioni PIC volte a trovare i parametri ottimali per ottenere ioni più energetici.

Optical detection of mealiness in apples using laser TDRS

Mealiness is a textural attribute related to an internal fruit disorder that involves quality loss. It is characterised by the combination of abnormal softness of the fruit and absence of free juiciness in the mouth when eaten by the consumer. Recent research concluded with the development of precise instrumental procedure to measure a scale of mealiness based on the combination of several rheological properties and empirical magnitudes. In this line, time-domain laser reflectance spectroscopy (TDRS) is a medical technology, new in agrofood research, which is capable of obtaining physical and chemical information independently and simultaneously, and this can be of interest to characterise mealiness. Using VIS & NIR lasers as light sources, TDRS was applied in this work to Golden Delicious and Cox apples (n=90), conforming several batches of untreated samples and storage-treated (20°C & 95%RH) to promote the development of mealiness. The collected database was clustered into different groups according to their instrumental test values (Barreiro et al, 1998). The optical coefficients were used as explanatory variables when building discriminant analysis functions for mealiness, achieving a classification score above 80% of correctly identified mealy versus fresh apples.

Physical characterization of laser interaction and shock generation in laser processing: coupled theoretical-experimental analysis

Outline: • Introduction • Fundamental Physics of the Laser-Plasma Interaction in Laser Shock Processing • Theoretical/Computational Model Description • Some Results. Analysis of Interaction Parameters • Experimental Validation. Diagnosis Setup • Discussion and Outlook

Optical detection of mealiness in apples using laser TDRS.

Mealiness is a textural attribute related to an internal fruit disorder that involves quality loss. It is characterised by the combination of abnormal softness of the fruit and absence of free juiciness in the mouth when eaten by the consumer. Recent research concluded with the development of precise instrumental procedure to measure a scale of mealiness based on the combination of several rheological properties and empirical magnitudes. In this line, time-domain laser reflectance spectroscopy (TDRS) is a new medical technology, used to characterise the optical properties of tissues, and to locate affected areas like tumours. Among its advantages compared to more traditional spectroscopic techniques, there is the feasibility to asses simultaneously and independently two optical parameters: the absorption of the light inside the irradiated body, and the scattering of the photons across the tissues, at each wavelength, generating two coefficients (µa, absorption coeff.; and µ's, transport scattering coeff.). If it is assumed that they are related respectively to chemical components and to physical properties of the sample, TDRS can be applied to the quantification of chemicals and the measurement of the rheological properties (i.e. mealiness estimation) at the same time. Using VIS & NIR lasers as light sources, TDRS was applied in this work to Golden Delicious and Cox apples (n=90), conforming several batches of untreated samples and storage-treated (20°C & 95%RH) to promote the development of mealiness. The collected database was clustered into different groups according to their instrumental test values (Barreiro et al, 1998). The optical coefficients were used as explanatory variables when building discriminant analysis functions for mealiness, achieving a classification score above 80% of correctly identified mealy versus fresh apples.

Intra-pulse transition between ion acceleration mechanisms in intense laser-foil interactions

Multiple ion acceleration mechanisms can occur when an ultrathin foil is irradiated with an intense laser pulse, with the dominant mechanism changing over the course of the interaction. Measurement of the spatial-intensity distribution of the beam of energetic protons is used to investigate the transition from radiation pressure acceleration to transparency-driven processes. It is shown numerically that radiation pressure drives an increased expansion of the target ions within the spatial extent of the laser focal spot, which induces a radial deflection of relatively low energy sheath-accelerated protons to form an annular distribution. Through variation of the target foil thickness, the opening angle of the ring is shown to be correlated to the point in time transparency occurs during the interaction and is maximized when it occurs at the peak of the laser intensity profile. Corresponding experimental measurements of the ring size variation with target thickness exhibit the same trends and provide insight into the intra-pulse laser-plasma evolution.

Laser-Driven Ion Accelerators: State of the Art and Applications

Laser-plasma based accelerators of protons and heavier ions are a source of potential interest for several applications, including in the biomedical area. While the potential future use in cancer hadrontherapy acts as a strong aspirational motivation for this research field, radiobiology employing laser-driven ion bursts is alreadyan active field of research. Here we give a summary of the state of the art in laser driven ion acceleration, of the main challenges currently faced by the research inthis field and of some of the current and future strategies for overcoming them.

Compositional data analysis in archaeometry

We shall call an n × p data matrix fully-compositional if the rows sum to a constant, and sub-compositional if the variables are a subset of a fully-compositional data set1. Such data occur widely in archaeometry, where it is common to determine the chemical composition of ceramic, glass, metal or other artefacts using techniques such as neutron activation analysis (NAA), inductively coupled plasma spectroscopy (ICPS), X-ray fluorescence analysis (XRF) etc. Interest often centres on whether there are distinct chemical groups within the data and whether, for example, these can be associated with different origins or manufacturing technologies

Pintaemittoivan VCSEL-diodin käyttö aallonpituusmodulaatiospektroskopiaan perustuvissa hapen konsentraation mittauksissa

Teollisuuden sovelluksissa kaasun mittauslaitteilta vaaditaan suurta luotettavuutta sekä niiden huollontarve tulee olla minimaalista. Jatkuva-aikaisissa mittauksissa nämä vaatimuksetlunastaa viritettävän diodilaser-spektroskopian käyttö. Pienen kokonsa, vähäisten tehohäviöiden ja hyvien säätömahdollisuuksien ansiosta, VCSEL:t (vertical cavity surface emitting laser) ovat sopivia vaihtoehtoja valonlähteeksi mitattaessapäästökaasuja, tässä tapauksessa happea. Työssä rakennettiin mittauslaitteisto, jota käytettiin hapen konsentraation määrittämiseen. Mittauslaitteistolla suoritettiin hapen pitoisuusmittauksia ja saatuja tuloksia verrattiin teoreettisen mallin antamien tulosten kesken. Mittaukset perustuvat toisen harmonisen signaalin havainnointiin. Lisäksi tarkasteltiin paineen ja lämpötilanvaikutusta mittaustuloksiin.

Synthesis, characterization and hydrodesulphurisation activity of CoMo/gama-Al2O3 catalyst prepared through molecular designed dispersion method

CoMo/gama-Al2O3 catalysts for hydrodesulphurisation activity were prepared by making use of the molecular designed dispersion (MDD) method. Molybdenum and cobalt pyrrolidine-N-carbodithioate (Pydtc) complexes were used for the incorporation of metals on the support. The catalysts were characterized by elemental analysis, low temperature oxygen chemisorption, temperature programmed reduction (TPR) and laser Raman spectroscopy. The hydrodesulphurisation activity of all the catalysts were carried out and results were compared with those of the catalysts prepared through the conventional method. Higher molybdenum dispersion, smaller molybdenum clusters, lower reduction temperature of catalyst and better hydrodesulphurisation activity were observed for the catalysts prepared through the MDD method

Compositional data analysis in archaeometry

We shall call an n × p data matrix fully-compositional if the rows sum to a constant, and sub-compositional if the variables are a subset of a fully-compositional data set1. Such data occur widely in archaeometry, where it is common to determine the chemical composition of ceramic, glass, metal or other artefacts using techniques such as neutron activation analysis (NAA), inductively coupled plasma spectroscopy (ICPS), X-ray fluorescence analysis (XRF) etc. Interest often centres on whether there are distinct chemical groups within the data and whether, for example, these can be associated with different origins or manufacturing technologies