Prompt electron emission and collisional ionization of ambient gas during pulsed laser ablation of silver

A silver target kept under partial vacuum conditions was irradiated with focused nanosecond pulses at 1:06 mm from a Nd:YAG laser. The electron emission monitored with a Langmuir probe shows a clear twin-peak distribution. The first peak which is very sharp has only a small delay and it indicates prompt electron emission with energy as much as 60 5 eV. Also the prompt electron emission shows a temporal profile with a width that is same as that for the laser pulse whereas the second peak is broader, covers several microseconds, and represents the low-energy electrons (2 0:5 eV) associated with the laser-induced silver plasma as revealed by time-of-flight measurements. It has been found that prompt electrons ejected from the target collisionally excite and ionize ambient gas molecules. Clearly resolved rotational structure is observed in the emission spectra of ambient nitrogen molecules. Combined with time-resolved spectroscopy, the prompt electrons can be used as excitation sources for various collisional excitation–relaxation experiments. The electron density corresponding to the first peak is estimated to be of the order of 1017 cm?--3 and it is found that the density increases as a function of distance away from the target. Dependence of probe current on laser intensity shows plasma shielding at high laser intensities.

Chaotic Dynamics of Semiconductor Laser with Current Modulation and optoelectronic feedback

Chaotic dynamics of directly modulated semiconductor lasers have been studied extensively over the last two decades because of their application in secure optical communication. However, chaos is generally suppressed in such systems when the nonlinear gain reduction factor is above 0.01 which is very much smaller than the reported values in semiconductors like InGaAsP. In this paper we show that by giving an optoelectronic feedback with appropriate delay one can increase the range of the values of the gain reduction factor for which chaos can be observed. Numerical studies show that negative feedback is more efficient in producing chaotic dynamics.

Investigations on the Radiation Characteristics of Planar Printed UWB Antennas With Modified Ground Planes

A major challenge in the transmission of narrow pulses is the radiation characteristics of the antenna. Designing the front ends for UWB systems pose challenges compared to their narrow and wide band counterparts because in addition to having electrically small size, high efficiency and band width, the antenna has to have excellent transient response. The present work deals with the design of four novel antenna designs- Square Monopole, Semi-Elliptic Slot, Step and Linear Tapered slot - and an assay on their suitability in UWB Systems. Multiple resonances in the geometry are matched to UWB by redesigning the ground-patch interfaces. Techniques to avoid narrow band interference is proposed in the antenna level and their effect on a nano second pulse have also been investigated. The thesis proposes design guidelines to design the antenna on laminates of any permittivity and the analyzes are complete with results in the frequency and time domains.

Investigations on the Multiferroic and Thermoelectric properties of Low and Intermediate band width Manganites

This thesis lays importance in the investigation on the multiferroic and thermooelectric properties of selected representatives of low bandwidth and intermediate band width manganites. The first candidate, Strontium doped Gd manganite, is prepared by wet solid state reaction method and the second candidate, Na doped La manganite, by citrate gel method. In addition to the above mentioned properties, magneto resistance and dielectric properties are investigated. Using dielectric spectroscopic the dispersion parameters are correlated to the relaxation mechanisms and an attempt is made to obtain the grain and grain boundary contribution to the impedance of the sample through impedance spectroscopy studies.

Anomalous profile of a self-reversed resonance line from Ba+ in a laser produced plasma from YBa2Cu307

A laser produced plasma from the multielement solid target YBa2Cu3O7 is generated using 1.06 μm, 9 ns pulses from a Q-switched Nd:YAG laser in air at atmospheric pressure. A time resolved analysis of the profile of the 4554.03 Å resonance line emission from Ba II at various laser power densities has been carried out. It has been found that the line has a profile which is strongly self-reversed. It is also observed that at laser power densities equal to or exceeding 1.6×1011 W cm−2, a third peak begins to develop at the centre of the self-reversed profile and this has been interpreted as due to the anisotropic resonance scattering (fluorescence). The number densities of singly ionized barium ions evaluated from the width of the resonance line as a function of time delay with respect to the beginning of the laser pulse give typical values of the order of 1019 cm−3. The higher ion concentrations existing at smaller time delays are seen to decrease rapidly. The Ba II ions in the ground state resonantly absorb the radiation and this absorption is maximum around 120 ns after the laser pulse.

Synergic Reactions in the Estuarine Environment leading to Modulation of Aluminium metal during Transport Processes (in Cochin Estuary)

The research work which was carried out to Synergic Reactions in the Estuarine Environment leading to Modulation of Aluminium metal during Transport Processes (in Cochin Estuary)Estuaries are considered as sink or source for terrestrial and various anthropogenically generated materials. These include naturally occurring elements Al, Si, Fe or trace inorganics or industrial pollutants of different types. There have been reports on both positive and negative impacts by the introduction of above materials into the ecosystem.This thesis deals with the trace metal Aluminium (Al) whose average concentration (about 8%) in the earths crust is surpassed only by that of Oxygen and Silicon. There can be no doubt that most of the land derived materials reaches the ocean through rivers via estuaries. An important aspect noticed here is that the concentration of dissolved Al is much lower in sea water than in river water.On critically analysing Cochin estuary, for the entire cycles, covering monsoon, postmonsoon and premonsoon, the following salient features are documented as hereunder. Dissolved Al exhibits high and variable trends in Cochin estuary, the influencing parameters being salinity, SPM, pH and dissolved Si. A general profile showed removal in upper/mid estuary followed by regeneration in the mid/lower estuary and further decrease seawards in the southern/northem arms.Distribution appears to be a function of freshwater input, the monsoon season exhibiting very high concentrations throughout the estuary. As the river discharge decreased with the progress of seasons, dissolved Al concentration also decreased, the metal limiting itself to the upper and mid estuary.

Studies on some nonlinear schrodinger type equations describing pulse propagation through optical fibers

The discovery of the soliton is considered to be one of the most significant events of the twentieth century. The term soliton refers to special kinds of waves that can propagate undistorted over long distances and remain unaffected even after collision with each other. Solitons have been studied extensively in many fields of physics. In the context of optical fibers, solitons are not only of fundamental interest but also have potential applications in the field of optical fiber communications. This thesis is devoted to the theoretical study of soliton pulse propagation through single mode optical fibers.

Formation of elliptically polarized beam from h-plane sectoral horns using corrugated flanges

The flange technique, suggested by Reynolds72 is simple technique to improve antenna characteristics. Using flange technique we can trim the antenna characteristic by suitably adjusting the flange parameters75. Later corrugated flanges87 are used for beam shaping. The important parameters of the corrugated flanges are (a) flange angle, (b) flange width, (c) flange position, (d) conductivity of the flange, (e) amplitude excitation of the flange elements, (f) period of corrugation etc. Compared to a compound horn the flange technique offers great convenience in trimming antenna characteristics. Horns are commonly used as a feed in radar and satellite communications. A large number of work had been done to improve the characteristics of horn antennas. It is an established fact that grooved walls on the inner surface of a horn can improve the antenna characteristics44. Corrugated comb surface can be used for the circular polarization98, tilt of polarization99 etc. This suggests the possibility to combine these two phenomena and to obtain a resultant beam. This thesis presents the result of an investigation to study the possibility of controlling different antenna characteristics like polarization, beam shaping, matching etc, using corrugated flange techniques.

Studies on pulp propogation in single mode optical fibres

Studies on pulse propagation in single mode optical fibers have attracted interest from a wide area of science and technology as they have laid down the foundation for an in-depth understanding of the underlying physical principles, especially in the field of optical telecommunications. The foremost among them is discovery of the optical soliton which is considered to be one of the most significant events of the twentieth century owing to its fantastic ability to propagate undistorted over long distances and to remain unaflected after collision with each other. To exploit the important propertia of optical solitons, innovative mathematical models which take into account proper physical properties of the single mode optical fibers demand special attention. This thesis contains a theoretical analysis of the studies on soliton pulse propagation in single mode optical fibers.

Reduced L_1 level width and Coster-Kronig yields by relaxation and continuum interactions in atomic zinc

Calculations of the level width \gamma( L_1) and the f_12 and f_13 Coster-Kronig yields for atomic zinc have been performed with Dirac-Fock wave functions. For \gamma(L_1), a large deviation between theory and evaluated data exists. We include the incomplete orthogonality of the electron orbitals as well as the interchannel interaction of the decaying states. Orbital relaxation reduces the total rates in all groups of the electron-emission spectrum by about 10-20 %. Different, however, is the effect of the continuum interaction. The L_1-L_23X Coster-Kronig part of the spectrum is definitely reduced in its intensity, whereas the MM and MN spectra are slightly enhanced. This results in a reduction of Coster-Kronig yields, where for medium and heavy elements considerable discrepancies have been found in comparison to relativistic theory. Briefly, we discuss the consequences of our calculations for heavier elements.

Selbstassemblierte Monolagen und magnetisch strukturierte Submonolagen mit dia- und paramagnetischen Molekülen sowie Einzelmolekülmagneten auf Phthalocyanin- und Subphthalocyanin-Basis

Mit dieser Arbeit wurde die Selbstassemblierung von dia- und paramagnetischen Molekülen sowie Einzelmolekülmagneten auf Goldsubstraten und magnetisch strukturierten Substraten untersucht. Dazu wurden drei verschiedene Klassen an Phthalocyaninderivaten verwendet: Diamagnetische Subphthalocyanine, paramagnetische Phthalocyaninatometalle und Diphthalocyaninatolanthanidkomplexe. Alle synthetisierten Verbindungen sind peripher thioethersubstituiert. Die Alkylketten (a: n-C8H17, b: n-C12H25) vermitteln die Löslichkeit in vielen organischen Solventien und sorgen für eine geordnete Assemblierung auf einer Oberfläche, wobei die Bindung auf Gold hauptsächlich über die Schwefelatome stattfindet. Die aus Lösung abgeschiedenen selbstassemblierten Monolagen wurden mit XPS, NEXAFS-Spektroskopie und ToF-SIMS untersucht. Bei der Selbstassemblierung auf magnetisch strukturierten Substraten stehen die Moleküle unter dem Einfluss magnetischer Streufelder und binden bevorzugt nur in bestimmten Bereichen. Die gebildeten Submonolagen wurden zusätzlich mit X-PEEM untersucht. Die erstmals dargestellten Manganphthalocyanine [MnClPc(SR)8] 1 wurden ausgehend von MnCl2 erhalten. Hier fand bei der Aufarbeitung an Luft eine Oxidation zu Mangan(III) statt; +III ist die stabilste Oxidationsstufe von Mangan in Phthalocyaninen. Der Nachweis des axialen Chloridoliganden erfolgte mit Massenspektrometrie und FIR- sowie Raman-Spektroskopie. SQUID-Messungen haben gezeigt, dass die Komplexe 1 vier ungepaarte Elektronen haben. Bei den Subphthalocyaninen [BClSubpc(SR)6] 2 wurde der axiale Chloridoligand mit dem stäbchenförmigen Phenolderivat 29-H substituiert und die erfolgreiche Ligandensubstitution durch NMR- und IR-Spektroskopie sowie Massenspektrometrie an den Produkten [BSubpc(SR)6(29)] 30 belegt. Der Radikalcharakter der synthetisierten Terbiumkomplexe [Tb{Pc(SR)8}2] 3 wurde spektroskopisch nachgewiesen; SQUID-Messungen ergaben, dass es sich um Einzelmolekülmagnete mit einer Energiebarriere U des Doppelpotentialtopfs von 880 K oder 610 cm-1 bei 3a handelt. Zunächst wurden die SAMs der Komplexverbindungen 1, 2, 30 und 3 auf nicht magnetisch strukturierten Goldsubstraten untersucht. Die Manganphthalocyanine 1 bilden geordnete SAMs mit größtenteils flach liegenden Molekülen, wie die XPS-, NEXAFS- und ToF-SIMS-Analyse zeigte. Die Mehrzahl der Thioether-Einheiten ist auf Gold koordiniert und die Alkylketten zeigen ungeordnet von der Oberfläche weg. Bei der Adsorption findet eine Reduktion zu Mangan(II) statt und der axiale Chloridoligand wird abgespalten. Das beruht auf dem sog. Oberflächen-trans-Effekt. Im vorliegenden Fall übt die Metalloberfläche einen stärkeren trans-Effekt als der axiale Ligand aus, was bisher experimentell noch nicht beobachtet wurde. Die thioethersubstituierten Subphthalocyanine 2 und 30 sowie die Diphthalocyaninatoterbium-Komplexe 3 sind ebenfalls für SAMs geeignet. Ihre Monolagen wurden mit XPS und NEXAFS-Spektroskopie untersucht, und trotz einer gewissen Unordnung in den Filmen liegen die Moleküle jeweils im Wesentlichen flach auf der Goldoberfläche. Vermutlich sind bei diesen Systemen auch die Alkylketten größtenteils parallel zur Oberfläche orientiert. Im Gegensatz zu den Manganphthalocyaninen 1 tritt bei 2b, 30a, 30b und 3b neben der koordinativen Bindung der Schwefelatome auf Gold auch eine für Thioether nicht erwartete kovalente Au–S-Bindung auf, die durch C–S-Bindungsbruch unter Abspaltung der Alkylketten ermöglicht wird. Der Anteil, zu dem dieser Prozess stattfindet, scheint nicht mit der Molekülstruktur zu korrelieren. Selbstassemblierte Submonolagen auf magnetisch strukturierten Substraten wurden mit dem diamagnetischen Subphthalocyanin 2b hergestellt. Der Nachweis der Submonolagen war schwierig und gelang schließlich durch eine Kombination von ToF-SIMS, NEXAFS Imaging und X-PEEM. Die Analyse der ToF-SIMS-Daten zeigte, dass tatsächlich eine Modulation der Verteilung der Moleküle auf einem unterwärts magnetisch strukturierten Substrat eintritt. Mit X-PEEM konnte die magnetische Struktur der ferromagnetischen Schicht des Substrats direkt der Verteilung der adsorbierten Moleküle zugeordnet werden. Die Subphthalocyanine 2b adsorbieren nicht an den Domänengrenzen, sondern vermehrt dazwischen. Auf Substraten mit abwechselnd 6.5 und 3.5 µm breiten magnetischen Domänen binden die Moleküle bevorzugt in den Bereichen geringster magnetischer Streufeldgradienten, also den größeren Domänen. Solche Substrate wurden für die ToF-SIMS- und X-PEEM-Messungen verwendet. Bei größeren magnetischen Strukturen mit ca. 400 µm breiten Domänen, wie sie aufgrund der geringeren Ortsauflösung dieser Methode für NEXAFS Imaging eingesetzt wurden, binden die Moleküle dann in allen Domänen. Die diamagnetischen Moleküle werden nach dieser Interpretation aus dem inhomogenen Magnetfeld über der Probenoberfläche heraus gedrängt und verhalten sich analog makroskopischer Diamagnete. Die eindeutige Detektion der Moleküle auf den magnetisch strukturierten Substraten konnte bisher nur für die diamagnetischen Subphthalocyanine 2b erfolgen. Um die Interpretation ihres Verhaltens bei der Selbstassemblierung in einem inhomogenen Magnetfeld weiter voranzutreiben, wurde das Subphthalocyanin 37b dargestellt, welches ein stabiles organisches TEMPO-Radikal in seinem axialen Liganden enthält. Das paramagnetische Subphthalocyanin 37b sollte auf den magnetisch strukturierten Substraten in Regionen starker magnetischer Streufelder binden und damit das entgegengesetzte Verhalten zu den diamagnetischen Subphthalocyaninen 2b zeigen. Aus Zeitgründen konnte dieser Nachweis im Rahmen dieser Arbeit noch nicht erbracht werden.

1.55 µm High-Speed QDs Lasers for Optical Telecommunication Applications

In this work investigation of the QDs formation and the fabrication of QD based semiconductor lasers for telecom applications are presented. InAs QDs grown on AlGaInAs lattice matched to InP substrates are used to fabricate lasers operating at 1.55 µm, which is the central wavelength for far distance data transmission. This wavelength is used due to its minimum attenuation in standard glass fibers. The incorporation of QDs in this material system is more complicated in comparison to InAs QDs in the GaAs system. Due to smaller lattice mismatch the formation of circular QDs, elongated QDs and quantum wires is possible. The influence of the different growth conditions, such as the growth temperature, beam equivalent pressure, amount of deposited material on the formation of the QDs is investigated. It was already demonstrated that the formation process of QDs can be changed by the arsenic species. The formation of more round shaped QDs was observed during the growth of QDs with As2, while for As4 dash-like QDs. In this work only As2 was used for the QD growth. Different growth parameters were investigated to optimize the optical properties, like photoluminescence linewidth, and to implement those QD ensembles into laser structures as active medium. By the implementation of those QDs into laser structures a full width at half maximum (FWHM) of 30 meV was achieved. Another part of the research includes the investigation of the influence of the layer design of lasers on its lasing properties. QD lasers were demonstrated with a modal gain of more than 10 cm-1 per QD layer. Another achievement is the large signal modulation with a maximum data rate of 15 Gbit/s. The implementation of optimized QDs in the laser structure allows to increase the modal gain up to 12 cm-1 per QD layer. A reduction of the waveguide layer thickness leads to a shorter transport time of the carriers into the active region and as a result a data rate up to 22 Gbit/s was achieved, which is so far the highest digital modulation rate obtained with any 1.55 µm QD laser. The implementation of etch stop layers into the laser structure provide the possibility to fabricate feedback gratings with well defined geometries for the realization of DFB lasers. These DFB lasers were fabricated by using a combination of dry and wet etching. Single mode operation at 1.55 µm with a high side mode suppression ratio of 50 dB was achieved.

Spatio-temporal resolution studies on a highly compact ultrafast electron diffractometer

Time-resolved diffraction with femtosecond electron pulses has become a promising technique to directly provide insights into photo induced primary dynamics at the atomic level in molecules and solids. Ultrashort pulse duration as well as extensive spatial coherence are desired, however, space charge effects complicate the bunching of multiple electrons in a single pulse.Weexperimentally investigate the interplay between spatial and temporal aspects of resolution limits in ultrafast electron diffraction (UED) on our highly compact transmission electron diffractometer. To that end, the initial source size and charge density of electron bunches are systematically manipulated and the resulting bunch properties at the sample position are fully characterized in terms of lateral coherence, temporal width and diffracted intensity.Weobtain a so far not reported measured overall temporal resolution of 130 fs (full width at half maximum) corresponding to 60 fs (root mean square) and transversal coherence lengths up to 20 nm. Instrumental impacts on the effective signal yield in diffraction and electron pulse brightness are discussed as well. The performance of our compactUEDsetup at selected electron pulse conditions is finally demonstrated in a time-resolved study of lattice heating in multilayer graphene after optical excitation.

Interferometrische Sensoren mit Modulation der optischen Weglänge für die Fertigungsmesstechnik

Ziel dieser Dissertation ist es, eine Klasse interferometrischer Messgeräte zu charakterisieren und weiter zu entwickeln. Die Modulation der optischen Weglänge (OPLM) im Referenzarm eines interferometrischen Messsystems ist ein anpassungsfähiger Ansatz. Sie ist zur Messung von Oberflächenprofilen mit einer Auflösung bis in den sub-nm-Bereich bei einem Messbereich von bis zu 100 Mikrometer geeignet. Wird ein statisches Messobjekt gemessen, tritt durch die Modulation im Referenzarm am Detektor ein periodisches Interferenzmuster auf. Dies ist in der unten stehenden Abbildung schematisch dargestellt. Bei einer Veränderung des Abstandes zwischen Objekt und Messgerät kann aus der Phasen- und/oder Hüllkurvenverschiebung im Interferenzmuster die Abstandsänderung abgeleitet werden.Im Rahmen der Arbeit sind zwei funktionsfähige OPLM-Messsysteme entwickelt, aufgebaut und getestet worden. Diese demonstrieren, dass der OPLM-Ansatz ein breites Spektrum an Anwendungen durch eine optische Messung abdecken kann. Allerdings zeigen sich an den Messsystemen auch die Limitierungen des OPLM-Ansatzes. Die Systeme basieren auf einer Punktmessung mittels einer fasergekoppelten Sonde sowie auf einer linienförmigen Messung durch eine Zeilenkamera. Um eine hohe laterale Auflösung zu erzielen, wird die Zeilenkamera mit einem Mikroskop kombiniert. Damit flächenhaft gemessen werden kann, ist es notwendig, Messobjekt und Sensor zueinander zu verschieben. Daher wird eine Theorie entwickelt, unter welchen Randbedingungen bewegte Objekte von einem OPLM-Messsystem aufgelöst werden können. Die Theorie wird anschließend experimentell überprüft und bestätigt. Für die Auswertung der bei der Modulation der optischen Weglänge entstehenden Interferenzen existieren bereits einige erprobte Algorithmen, welche auf ihre Eignung hin untersucht und mit selbst entwickelten Algorithmen verglichen werden. Auch wird darauf eingegangen, welches die zentralen Herausforderungen bei der Planung von OPLM-Interferometern sind und wie sich insbesondere die Wahl des Aktors für die OPLM auf das gesamte Messsystem auswirkt. Bei den beiden Messsystemen werden jeweils wichtige Komponenten wie analoge Elektronik und Aktorik sowie ihre Funktionsweise erläutert. Es wird detailliert beschrieben, wie ein OPLM-Messsystem charakterisiert und kalibriert werden muss, um möglichst zuverlässige Messwerte zu liefern. Abschließend werden die Möglichkeiten der beiden entwickelten Systeme durch Beispielmessungen demonstriert, sowie ihre Messgenauigkeit charakterisiert.