Photopatternable di-ureasil-zirconium oxocluster organic-inorganic hybrids as cost effective integrated optical substrates

Organic-inorganic hybrids containing methacrylic acid (McOH, CH(2)= C(CH(3))COOH)) modified zirconium tetrapropoxide, Zr(OPr(n))(4), classed as di-ureasil-zirconium oxo-cluster hybrids, have been prepared and structurally characterized by X-ray diffraction (XRD), small-angle X-ray scattering (SAXS), Fourier transform infrared (FT-IR) and Raman (FT-Raman) spectroscopies, Si and C nuclear magnetic resonance (NMR), and atomic force microscopy (AFM). XRD and SAXS results have pointed out the presence of Si- and Zr-based nanobuilding blocks (NBBs) dispersed into the organic phase. Inter-NBBs correlation distances have been estimated for the pure di-ureasil and a model compound obtained. by hydrolysis/condensation of Zr(OPr(n))(4):McOH (molar ratio 1: 1): d(Si) approximate to 26 +/- 1 angstrom and d(Zr) approximate to 16 +/- 1 angstrom, respectively. In the case of the di-ureasil-zirconium oxo-cluster hybrids, these distances depend on the Zr relative molar percentage (rel. mol. Zr %) (d(Si) ranges from 18 to 25 angstrom and d(Zr) from 14 to 23 angstrom, as the rel. mol. Zr % increases from 5 to 75), suggesting that the Si- and Zr-based clusters are interconstrained. Complementary data from FT-IR, FT-Raman, (29)Si and (13)C NMR, and AFM support to a structural model where McOH-modified Zr-based NBBs (Zr-OMc) are present over the whole range of composition. At low Zr-OMc contents (rel. mol. Zr % <30) the clusters are well-dispersed within the di-ureasil host, whereas segregation occurs at the 0.1 mu m scale at high Zr-OMc concentration (rel. mol. Zr % = 50). No Zr-O-Si heterocondensation has been discerned. Monomode waveguides, diffractions gratings, and Fabry-Perot cavities have been written through the exposure of the hybrid monoliths to UV light. FT-Raman has shown that the chemical process that takes place under illumination is the polymerization of the methacrylate groups of the Zr-OMc NBBs. The guidance region in patterned channels is a Gaussian section located below the exposed surface with typical dimensions of 320 mu m wide and 88 mu m deep. The effective refractive index is 1.5162 (maximum index contrast on the order of 1 x 10(-4)) and the reflection coeficient of the Fabry-Perot cavity (formed by a grating patterned into a 0.278 cm channel) is 0.042 with a free spectral range value of 35.6 GHz.

Temperature Effect on the Two-Photon Absorption Spectrum of All-trans-beta-carotene

In this report, we investigate the influence of temperature on the two-photon absorption (2PA) spectrum of all-trans-beta-carotene using the femtosecond white-light-continuum Z-scan technique. We observed that the 2PA cross-section decreases quadratically with the temperature. Such effect was modeled using a three-energy-level diagram within the sum-over-essential states approach, assuming temperature dependencies to the transition dipole moment and refractive index of the solvent. The results show that the transition dipole moments from ground to excited state and between the excited states, which governed the two-photon matrix element, have distinct behaviors with the temperature. The first one presents a quadratic dependence, while the second exhibits a linear dependence. Such effects were attributed mainly to the trans -> cis thermal interconversion process, which decreases the effective conjugation length, contributing to diminishing the transition dipole moments and, consequently, the 2PA cross-section.

NIR luminescent Er3+/Yb3+ co-doped SiO2-ZrO2 nanostructured planar and channel waveguides: Optical and structural properties

Optical and structural properties of planar and channel waveguides based on sol gel Er3+ and Yb3+ co-doped SiO2-ZrO2 are reported. Microstructured channels with high homogeneous surface profile were written onto the surface of multilayered densified films deposited on SiO2/Si substrates by a femtosecond laser etching technique. The densification of the planar waveguides was evaluated from changes in the refractive index and thickness, with full densification being achieved at 900 degrees C after annealing from 23 up to 500 min, depending on the ZrO2 content Crystal nucleation and growth took place together with densification, thereby producing transparent glass ceramic planar waveguides containing rare earth-doped ZrO2 nanocrystals dispersed in a silica-based glassy host Low roughness and crack-free surface as well as high confinement coefficient were achieved for all the compositions. Enhanced NIR luminescence of the Er3+ ions was observed for the Yb3+- codoped planar waveguides, denoting an efficient energy transfer from the Yb3+ to the Er3+ ion. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Description of atmospheric conditions at the Pierre Auger Observatory using the Global Data Assimilation System (GDAS)

Atmospheric conditions at the site of a cosmic ray observatory must be known for reconstructing observed extensive air showers. The Global Data Assimilation System (GDAS) is a global atmospheric model predicated on meteorological measurements and numerical weather predictions. GDAS provides altitude-dependent profiles of the main state variables of the atmosphere like temperature, pressure, and humidity. The original data and their application to the air shower reconstruction of the Pierre Auger Observatory are described. By comparisons with radiosonde and weather station measurements obtained on-site in Malargue and averaged monthly models, the utility of the GDAS data is shown. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Resonances in Mie scattering by an inhomogeneous atomic cloud

Despite the quantum nature of the process, collective scattering by dense cold samples of two-level atoms can be interpreted classically describing the sample as a macroscopic object with a complex refractive index. We demonstrate that resonances in Mie theory can be easily observable in the cooperative scattering by tuning the frequency of the incident laser field or the atomic number. The solution of the scattering problem is obtained for spherical atomic clouds who have the parabolic density characteristic of BECs, and the cooperative radiation pressure force calculated exhibits resonances in the cloud displacement for dense clouds. At odds with uniform clouds which show a complex structure including narrow peaks, these densities show resonances, yet only under the form of quite regular and contrasted oscillations. Copyright (C) EPLA, 2012

EVAPORATIVE LIGHT-SCATTERING DETECTOR FOR ANALYSIS OF NATURAL PRODUCTS

EVAPORATIVE LIGHT-SCATTERING DETECTOR FOR ANALYSIS OF NATURAL PRODUCTS. The interest in the use of evaporative light scattering detector (ELSD) for the analysis of different classes of natural products has grown over the years. This is because this detector has become an excellent alternative compared to other types of detectors, such as the refractive index detector and the ultraviolet (UV) detector. This review describes the basic principles of ELSD functioning and discusses the advantages and disadvantages in using an ELSD for the analysis of organic compounds. Additionally, an overview, covering the last 23 years, of ELSD applications in natural products analysis (saponins, terpenes, carbohydrates, glycosides, alkaloids, steroids, flavonoids, peptides, polyketides, coumarins and iridoids) is presented and discussed.

Transverse pseudo-nonlinear effects measured in solid-state laser materials using a sensitive time-resolved technique

We present a detailed study of the Baryscan technique, a new efficient alternative to the widespread Z-scan technique which has been demonstrated [Opt. Lett. 36:8, 2011] to reach among the highest sensitivity levels. This method is based upon the measurement of optical nonlinearities by means of beam centroid displacements with a position sensitive detector and is able to deal with any kind of lensing effect. This technique is applied here to measure pump-induced electronic refractive index changes (population lens), which can be discriminated from parasitic thermal effects by using a time-resolved Baryscan experiment. This method is validated by evaluating the polarizability variation at the origin of the population lens observed in the reference Cr3+:GSGG laser material.

A simple method to measure critical angles for high-sensitivity differential refractometry

A total internal reflection-based differencial refractometer, capable of measuring the real and imaginary parts of the complex refractive index in real time, is presented. The device takes advantage of the phase difference acquired by s- and p-polarized light to generate an easily detectable minimum at the reflected profile. The method allows to sensitively measuring transparent and turbid liquid samples. (C)2012 Optical Society of America

Utilização de detecção por espalhamento de luz evaporativo para a análise de produtos naturais

The interest in the use of evaporative light scattering detector (ELSD) for the analysis of different classes of natural products has grown over the years. This is because this detector has become an excellent alternative compared to other types of detectors, such as the refractive index detector and the ultraviolet (UV) detector. This review describes the basic principles of ELSD functioning and discusses the advantages and disadvantages in using an ELSD for the analysis of organic compounds. Additionaly, an overview, covering the last 23 years, of ELSD applications in natural products analysis (saponins, terpenes, carbohydrates, glycosides, alkaloids, steroids, flavonoids, peptides, polyketides, coumarins and iridoids) is presented and discussed.

Überkritisches Kohlendioxid als Reaktionsmedium für die Dispersionspolymerisation

Überkritisches Kohlendioxid (CO2) ist für die Polymerisation von besonderem Interesse. Die Dispersionspolymerisation von N-Vinylpyrrolidon (VP) wurde mit Polystyrol-Polydimethylsiloxan Diblockcopolymeren (PS-b-PDMS) in diesem Medium durchgeführt. Hierfür wurde ein neues Hochdrucklabor eingerichtet, eine Sichtzelle und eine neuartige Lichtstreuzelle konstruiert. Für die Durchführung von Lichtstreuexperimenten wurde der Brechungs-index von CO2 bis zu hohen Dichten an einer Reflexionsapparatur bestimmt. Mittels dynamischen Lichtstreumessungen an Polydimethylsiloxan (PDMS) in überkritischem CO2 wurden unter den untersuchten Bedingungen ein Radius bestimmt, wie er für ungestörte Knäueldimensionen erwartet wurde. Das PS-b-PDMS wurde mittels anionischer Polymerisation mit verschiedenen Blocklängen und sehr engen Molekulargewichtsverteilungen synthetisiert. Das Phasenverhalten von PS-b-PDMS wurde in überkritischem CO2 visuell und in einer VP/CO2-Mischung mittels Turbidimetrie untersucht. Das Monomer wirkt als Co-Solvens für den PDMS-Block des Stabilisators. Bei einer Konzentration von ca. 1 Gew.-% PS-b-PDMS (pro Monomer) in CO2 bei 38 MPa und 80°C wurden sphärische ca. 1µm große PVP-Partikeln synthetisiert. PS-b-PDMS ist unter diesen Bedingungen ein geeigneter Stabilisator für die Polymerisation von VP in überkritischem CO2. Bei Konzentrationen von mehr als ca. 5 Gew.-% PS-b-PDMS wurden agglomerierte Partikeln beobachtet. Die Kinetik der Partikelentstehung wurde turbidimetrisch untersucht. Bereits in der frühen Phase der Polymerisation wurde eine anwachsende Partikelgröße gefunden.

Optical Microring Resonators based on ion-implanted LiNbO3 ridge waveguides

The growing interest for Integrated Optics for sensing, telecommunications and even electronics is driving research to find solutions to the new challenges issued by a more and more fast, connected and smart world. This thesis deals with the design, the fabrication and the characterisation of the first prototypes of Microring Resonators realised using ion implanted Lithium Niobate (LiNbO3) ridge waveguides. Optical Resonator is one among the most important devices for all tasks described above. LiNbO3 is the substrate commonly used to fabricate optical modulators thanks to its electro-optic characteristics. Since it is produced in high quantity, good quality and large wafers its price is low compared to other electro-optic substrate. We propose to use ion implantation as fabrication technology because in the other way standard optical waveguides realised in LiNbO3 by Proton Exchange (PE) or metal diffusion do not allow small bending radii, which are necessary to keep the circuit footprint small. We will show in fact that this approach allows to fabricate waveguides on Lithium Niobate that are better than PE or metal diffused waveguides as it allows smaller size devices and tailoring of the refractive index profile controlling the implantation parameters. Moreover, we will show that the ridge technology based on enhanced etching rate via ion implantation produces a waveguide with roughness lower than a dry etched one. Finally it has been assessed a complete technological process for fabrication of Microring Resonator devices in Lithium Niobate by ion implantation and the first prototypes have been produced.

Charakterisierung und Stabilität von Arthropoden-Hämocyanin

Hämocyanine sind große, multimere Sauerstofftransport- proteine, die frei gelöst in der Hämolymphe von Arthropoden und Mollusken vorkommen.Zur Charakterisierung verschiedener Arthropoden-hämocyanine wurden deren molare Massen bestimmt. Die mit einer Vielwinkel-Laser-Lichtstreuapparatur ermittelten Molekulargewichte zeigten eine grosse Schwankungsbreite. Dies konnte auf Ungenauigkeiten der zur Berechnung der Molekulargewichte verwendeten spezifischen Extinktions- koeffizienten und Brechungsindex-Inkremente zurückgeführt werden.Mit der Methode der Massenspektrometrie (MALDI-TOF) bestimmte Molekulargewichte einzelner Untereinheiten des Hämocyanins der Vogelspinne Eurypelma californicum zeigten eine sehr gute Übereinstimmung mit aus der Sequenz errechneten Werten.Für das 24-mere Spinnenhämocyanin von Eurypelma californicum wurde die Stabilität gegenüber GdnHCl und der Temperatur auf den verschiedenen strukturellen Ebenen des Proteins untersucht.Viele Stabilitätsuntersuchungen werden an kleinen Proteinen durchgeführt, deren Entfaltung kooperativerfolgt. Bei größeren Proteinen mit unterschiedlichen strukturellen Bereichen (Domänen) ist der Entfaltungs-prozess weitaus komplexer. Ziel war es, durch die Denaturierung des Spinnen-Hämocyanins Erkenntnisse über die Stabilität und Entfaltung der verschiedenen strukturellen Ebenen eines so großen Proteinkomplexes zu gewinnen.Ein wichtiges Charakteristikum für die Interpretation der Entfaltungsexperimente ist die starke Löschung der Tryptophanfluoreszenz im oxygenierten Spinnen-Hämocyanin. Die Löschung kann vollständig durch Förster-Transfer erklärt werden kann. Sie bleibt auf die einzelnen Untereinheiten beschränkt und stellt somit ein reines O₂-Beladungssignal dar.Unter Einwirkung von GdnHCl dissoziiert das native, 24-mere Spinnen-Hämocyanin ohne die Entstehung langlebiger Inter- mediate. Die Untereinheiten werden durch das Oligomer stabilisiert. Die Entfaltung eines Monomers, der Unter- einheit e, folgt einer Hierarchie der verschiedenen strukturellen Ebenen des Moleküls. Die Entfaltung beginnt zunächst von außen mit der Auflockerung der Tertiärstruktur. Der Kern von Domäne II mit dem aktiven Zentrum weist hingegen eine besondere Stabilität auf.Die ausgeprägte Hitzestabilität des Eurypelma-Hämocyanins hängt vom Oligomerisierungsgrad, dem verwendeten Puffer und dessen Ausgangs-pH-Wert ab und spiegelt offensichtlich die extremen Lebensbedingungen im Habitat wider.

Simulative Investigation on the Electronic, Vibrational and Optical Properties of the Ge2Sb2Te5 Chalcogenide

Chalcogenides are chemical compounds with at least one of the following three chemical elements: Sulfur (S), Selenium (Sn), and Tellurium (Te). As opposed to other materials, chalcogenide atomic arrangement can quickly and reversibly inter-change between crystalline, amorphous and liquid phases. Therefore they are also called phase change materials. As a results, chalcogenide thermal, optical, structural, electronic, electrical properties change pronouncedly and significantly with the phase they are in, leading to a host of different applications in different areas. The noticeable optical reflectivity difference between crystalline and amorphous phases has allowed optical storage devices to be made. Their very high thermal conductivity and heat fusion provided remarkable benefits in the frame of thermal energy storage for heating and cooling in residential and commercial buildings. The outstanding resistivity difference between crystalline and amorphous phases led to a significant improvement of solid state storage devices from the power consumption to the re-writability to say nothing of the shrinkability. This work focuses on a better understanding from a simulative stand point of the electronic, vibrational and optical properties for the crystalline phases (hexagonal and faced-centered cubic). The electronic properties are calculated implementing the density functional theory combined with pseudo-potentials, plane waves and the local density approximation. The phonon properties are computed using the density functional perturbation theory. The phonon dispersion and spectrum are calculated using the density functional perturbation theory. As it relates to the optical constants, the real part dielectric function is calculated through the Drude-Lorentz expression. The imaginary part results from the real part through the Kramers-Kronig transformation. The refractive index, the extinctive and absorption coefficients are analytically calculated from the dielectric function. The transmission and reflection coefficients are calculated using the Fresnel equations. All calculated optical constants compare well the experimental ones.

High pressure surface plasmon spectroscopy

Der Einfluß von Druck auf die Eigenschaften dünner dielektrischer Filme wurde mit Hilfe von Oberflächenplasmonen-Spektroskopie untersucht. Die Arbeit kann aus der Perspektive der Materialcharakterisierung und aus apparativer Sicht betrachtet werden, da z.B. eine neue Hochdruckzelle konstruiert wurde, die kombinierte Oberflächenplasmonen-Elektrochemie Messungen erlaubt. SiO2-Solgel Filme wurden optimiert und auf ihre Widerstandsfähigkeit in Bufferlösungen und ihre Oberflächeneigenschaften hin untersucht. Eine Anwendung lag in der Charakterisierung von thermoresponsiven Acrylsäureisopropylamid Hydrogelen, die einen Volumenphasenübergang aufwiesen, dessen Eigenschaften durch Druck und die Beschränktheit des Films auf die Oberfläche beeinflußt wurden.Die Charakterisierung von DNA Hybridisierungsreaktionen an Oberflächen wurde mit einer Fluoreszenz-erweiterten Hochdruckapparatur durchgeführt. Zunächst wurde die Stabilität der zugrundeliegenden Bindematrix sichergestellt. Bei DNA Einzelsträngen führten Temperatur und Druck zu jeweils verringertem bzw. erhöhtem Signal. Entropie und Änderungen der Lösungsmitteleigenschaften wurden für die Signaländerungen verantwortlich gemacht. Die Eigenschaften der Doppelhelix wurden im Langmuir-Bild beschrieben. Der Brechungsindex von Kohlendioxid wurde bis zu 200 MPa gemessen und mit vorhandenen Gleichungen verglichen. Weiterhin wurde das Schwellverhalten von PMMA in scCO2/MMA-Mischungen untersucht. Mit Druck und MMA-Konzentration nimmt das Polymer vermehrt Kohlendioxid auf. Dadurch schwillt es an und sein Brechungsindex nimmt ab. Berechnungen unter Annahme einer idealen Mixtur ergaben gute qualitative Übereinstimmung mit den Meßwerten.Abschließend wurde eine neue Elektrochemie-Hochdruckzelle vorgestellt, die an Kaliumhexacyanoferrat(III)-(II) getestet wurde. Die Elektropolymerisation von Thiophen optisch untersucht.

Chemical and physical properties of Amazonian aerosol particles

- ZUSAMMENFASSUNG:Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Bestimmung der chemischen und physikalischen Eigenschaften von Aerosolpartikeln im Amazonasbecken, die während Zeiten mit Biomasseverbrennung und bei Hintergrundbedingungen bestimmt wurden. Die Messungen wurden während zwei Kampagnen im Rahmen des europäischen Beitrags zum LBA-EUSTACH Experiment in Amazonien. Die Daten umfassen Messungen der Anzahlkonzentrationen, Größenverteilungen, optischen Eigenschaften sowie Elementzusammensetzungen und Kohlenstoffgehalte der gesammelten Aerosole. Die Zusammensetzung des Aerosols wies auf folgende drei Quellen hin: natürlichen biogenen, Mineralstaub, und pyrogenes Aerosol. Aller drei Komponenten trugen signifikant zur Extinktion des Sonnenlichts bei. Insgesamt ergab sich eine Steigerung der Meßwerte um ca. das Zehnfache während der Trockenzeit im Vergleich zur Regenzeit, was auf eine massive Einbringung von Rauchpartikeln im Submikrometerbereich in die Atmosphäre während der Trockenzeit zurückzuführen ist. Dementsprechend sank die Einzelstreualbedo von ca. 0,97 auf 0,91. Der Brechungsindex der Aerosolpartikel wurde mit einer neuen iterative Methoden, basierend auf der Mie-Theorie berechnet. Es ergaben sich durchschnittliche Werte von 1,42 – 0,006i für die Regenzeit und 1,41 – 0,013i für die Trockenperiode. Weitere klimatisch relevante Parameterergaben für Hintergrundaerosole und für Aerosole aus Biomasseverbrennung folgende Werte: Asymmetrieparameter von 0,63 ± 0,02 bzw. 0,70 ± 0,03 und Rückstreuungsverhältnisse von 0,12 ± 0,01 bzw. 0,08 ± 0,01. Diese Veränderungen haben das Potential, das regionale und globale Klima über die Variierung der Extinktion der Sonneneinstrahlung als auch der Wolkeneigenschaften zu beeinflussen.