Proton acceleration enhanced by a plasma jet in expanding foils undergoing relativistic transparency

Ion acceleration driven by the interaction of an ultraintense (2 × 10²⁰ W cm^-2) laser pulse with an ultrathin ( nm) foil target is experimentally and numerically investigated. Protons accelerated by sheath fields and via laser radiation pressure are angularly separated and identified based on their directionality and signature features (e.g. transverse instabilities) in the measured spatial-intensity distribution. A low divergence, high energy proton component is also detected when the heated target electrons expand and the target becomes relativistically transparent during the interaction. 2D and 3D particle-in-cell simulations indicate that under these conditions a plasma jet is formed at the target rear, supported by a self-generated azimuthal magnetic field, which extends into the expanded layer of sheath-accelerated protons. Electrons trapped within this jet are directly accelerated to super-thermal energies by the portion of the laser pulse transmitted through the target. The resulting streaming of the electrons into the ion layers enhances the energy of protons in the vicinity of the jet. Through the addition of a controlled prepulse, the maximum energy of these protons is demonstrated experimentally and numerically to be sensitive to the picosecond rising edge profile of the laser pulse.

Buffered high charge spectrally-peaked proton beams in the relativistic-transparency regime

Spectrally-peaked proton beams of high charge (E_p ≈ 8 MeV, ΔE ≈ 4 MeV, N ≈ 50 nC ) have been observed from the interaction of an intense laser (>10¹⁹Wcm^-2) with ultrathinCHfoils, as measured by spectrally-resolved full beam profiles. These beams are reproducibly generated for foil thicknesses 5-100 nm, and exhibit narrowing divergence with decreasing target thickness down to ≈8° for 5 nm. Simulations demonstrate that the narrow energy spread feature is a result of buffered acceleration of protons. The radiation pressure at the front of the target results in asymmetric sheath fields which permeate throughout the target, causing preferential forward acceleration. Due to their higher chargeto-mass ratio, the protons outrun a carbon plasma driven in the relativistic transparency regime.

Montage et caractérisation d’un système de spectroscopie Raman accordable en longueur d’onde utilisant des réseaux de Bragg comme filtre : application aux nanotubes de carbone

La spectroscopie Raman est un outil non destructif fort utile lors de la caractérisation de matériau. Cette technique consiste essentiellement à faire l’analyse de la diffusion inélastique de lumière par un matériau. Les performances d’un système de spectroscopie Raman proviennent en majeure partie de deux filtres ; l’un pour purifier la raie incidente (habituellement un laser) et l’autre pour atténuer la raie élastique du faisceau de signal. En spectroscopie Raman résonante (SRR), l’énergie (la longueur d’onde) d’excitation est accordée de façon à être voisine d’une transition électronique permise dans le matériau à l’étude. La section efficace d’un processus Raman peut alors être augmentée d’un facteur allant jusqu’à 106. La technologie actuelle est limitée au niveau des filtres accordables en longueur d’onde. La SRR est donc une technique complexe et pour l’instant fastidieuse à mettre en œuvre. Ce mémoire présente la conception et la construction d’un système de spectroscopie Raman accordable en longueur d’onde basé sur des filtres à réseaux de Bragg en volume. Ce système vise une utilisation dans le proche infrarouge afin d’étudier les résonances de nanotubes de carbone. Les étapes menant à la mise en fonction du système sont décrites. Elles couvrent les aspects de conceptualisation, de fabrication, de caractérisation ainsi que de l’optimisation du système. Ce projet fut réalisé en étroite collaboration avec une petite entreprise d’ici, Photon etc. De cette coopération sont nés les filtres accordables permettant avec facilité de changer la longueur d’onde d’excitation. Ces filtres ont été combinés à un laser titane : saphir accordable de 700 à 1100 nm, à un microscope «maison» ainsi qu’à un système de détection utilisant une caméra CCD et un spectromètre à réseau. Sont d’abord présentés les aspects théoriques entourant la SRR. Par la suite, les nanotubes de carbone (NTC) sont décrits et utilisés pour montrer la pertinence d’une telle technique. Ensuite, le principe de fonctionnement des filtres est décrit pour être suivi de l’article où sont parus les principaux résultats de ce travail. On y trouvera entre autres la caractérisation optique des filtres. Les limites de basses fréquences du système sont démontrées en effectuant des mesures sur un échantillon de soufre dont la raie à 27 cm-1 est clairement résolue. La simplicité d’accordabilité est quant à elle démontrée par l’utilisation d’un échantillon de NTC en poudre. En variant la longueur d’onde (l’énergie d’excitation), différentes chiralités sont observées et par le fait même, différentes raies sont présentes dans les spectres. Finalement, des précisions sur l’alignement, l’optimisation et l’opération du système sont décrites. La faible acceptance angulaire est l’inconvénient majeur de l’utilisation de ce type de filtre. Elle se répercute en problème d’atténuation ce qui est critique plus particulièrement pour le filtre coupe-bande. Des améliorations possibles face à cette limitation sont étudiées.

Optical absorption studies in ion implanted and amorphous semiconductors - Investigations in some tetrahedrally co-ordinated and chalcogenide materials

The thesis provides an overall review and introduction to amorphous semiconductors, followed by a brief discussion on the important structural models proposed for chalcogenide glasses and their electrical, optional and thermal properties. It also gives a brief description of the Physics of thin films, ion implantation and Photothermal Deflection Spectroscopy. A brief description of the experimental setup of a photothermal deflection spectrometer and the details of the preparation and optical characterization of the thin film samples. It deals with the employment of the subgap optional absorption measurement by PDS to characterize the defects, amorphization and annealing behavior in silicon implanted with B+ ions and the profiles of ion range and vacancy distribution obtained by the TRIM simulation. It reports the results of all absorption measurements by PDS in nitrogen implanted thin film samples of Ge-Se and As-Se systems

Quadrupole moments of radium isotopes from the 7p^2P_3/2 hyperfine structure in Ra II

The hyperfine structure and isotope shift of ^{221- 226}Ra and ^{212, 214}Ra have been measured in the ionic (Ra 11) transition 7s^2 S_{1/2} - 7p ^2 P_{3/2} (\lamda = 381.4 nm). The method of on-line collinear fast-beam laser spectroscopy has been applied using frequency-doubling of cw dye laser radiation in an external ring cavity. The magnetic hyperfine fields are compared with semi-empirical and ab initio calculations. The analysis of the quadrupole splitting by the same method yields the following, improved values of spectroscopic quadrupole moments: Q_s(^221 Ra)= 1.978(7)b, Q_s (^223 Ra)= 1.254(3)b and the reanalyzed values Q_s(^209 Ra) = 0.40(2)b, Q_s(^211 Ra) = 0.48(2)b, Q_s(^227 Ra)= 1.58(3)b, Q_s (^229 Ra) = 3.09(4)b with an additional scaling uncertainty of ±5%. Furthermore, the J-dependence of the isotope shift is analyzed in both Ra II transitions connecting the 7s^2 S_{1/2} ground state with the first excited doublet 7p^ P_{1/2} and 7p^ P_{3/2}.

State dependent volume isotope shift analysis of the low lying states of Ba I and Ba II

Relativistic multi-configuration Dirac-Fock wavefunctions, coupled to good angular momentum J, have been calculated for low lying states of Ba I and Ba II. The resulting electronic factors show good agreement with data derived from recent high-resolution laser spectroscopy experiments and results from a comparison of muonic and optical data.

Controlling the transport of an ion: classical and quantum mechanical solutions

The accurate transport of an ion over macroscopic distances represents a challenging control problem due to the different length and time scales that enter and the experimental limitations on the controls that need to be accounted for. Here, we investigate the performance of different control techniques for ion transport in state-of-the-art segmented miniaturized ion traps. We employ numerical optimization of classical trajectories and quantum wavepacket propagation as well as analytical solutions derived from invariant based inverse engineering and geometric optimal control. The applicability of each of the control methods depends on the length and time scales of the transport. Our comprehensive set of tools allows us make a number of observations. We find that accurate shuttling can be performed with operation times below the trap oscillation period. The maximum speed is limited by the maximum acceleration that can be exerted on the ion. When using controls obtained from classical dynamics for wavepacket propagation, wavepacket squeezing is the only quantum effect that comes into play for a large range of trapping parameters. We show that this can be corrected by a compensating force derived from invariant based inverse engineering, without a significant increase in the operation time.

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.

The water vapour continuum in near-infrared windows – current understanding and prospects for its inclusion in spectroscopic databases

Spectroscopic catalogues, such as GEISA and HITRAN, do not yet include information on the water vapour continuum that pervades visible, infrared and microwave spectral regions. This is partly because, in some spectral regions, there are rather few laboratory measurements in conditions close to those in the Earth’s atmosphere; hence understanding of the characteristics of the continuum absorption is still emerging. This is particularly so in the near-infrared and visible, where there has been renewed interest and activity in recent years. In this paper we present a critical review focusing on recent laboratory measurements in two near-infrared window regions (centred on 4700 and 6300 cm−1) and include reference to the window centred on 2600 cm−1 where more measurements have been reported. The rather few available measurements, have used Fourier transform spectroscopy (FTS), cavity ring down spectroscopy, optical-feedback – cavity enhanced laser spectroscopy and, in very narrow regions, calorimetric interferometry. These systems have different advantages and disadvantages. Fourier Transform Spectroscopy can measure the continuum across both these and neighbouring windows; by contrast, the cavity laser techniques are limited to fewer wavenumbers, but have a much higher inherent sensitivity. The available results present a diverse view of the characteristics of continuum absorption, with differences in continuum strength exceeding a factor of 10 in the cores of these windows. In individual windows, the temperature dependence of the water vapour self-continuum differs significantly in the few sets of measurements that allow an analysis. The available data also indicate that the temperature dependence differs significantly between different near-infrared windows. These pioneering measurements provide an impetus for further measurements. Improvements and/or extensions in existing techniques would aid progress to a full characterisation of the continuum – as an example, we report pilot measurements of the water vapour self-continuum using a supercontinuum laser source coupled to an FTS. Such improvements, as well as additional measurements and analyses in other laboratories, would enable the inclusion of the water vapour continuum in future spectroscopic databases, and therefore allow for a more reliable forward modelling of the radiative properties of the atmosphere. It would also allow a more confident assessment of different theoretical descriptions of the underlying cause or causes of continuum absorption.

Spectroscopic investigation of a new hybrid glass formed by the interaction between croconate ion and calcium polyphosphate

In this work, a new organic-inorganic hybrid material has been synthesized by the incorporation of croconate ion into a calcium polyphosphate coacervate. The hybrid so obtained was characterized by means of electronic and vibrational spectroscopies. The material is a homogeneous mixture described by a structural model, which includes helical chains of polyphosphate ions, where the calcium ion occupies the internal vacancies of the structure. The croconate ion appears to be occupying the regions outside the polymeric structure, surrounded by several water molecules. The electronic spectrum of the incorporated material shows a broad band peaking at the same wavelength region (363 nm) observed for the aqueous solution of croconate ion, and manifesting the Jahn-Teller effect as evidenced by the doublet structure of the band. The infrared spectrum is widely dominated by the absorption bands of the polyphosphate ion and the appearance of the carbonyl stretching band at ca. 1550 cm(-1) indicates the presence of croconate ion incorporated in the structure. The Raman spectrum of the material shows several vibrational bands related to the oxocarbon moiety; most of them are shifted in comparison with the free ion. These shifts can be understood in terms of strong hydrogen bonding interactions between water molecules and the oxocarbon moiety. The low temperature methodology proposed here can be well used in the preparation of new phosphate glasses containing organic moieties opening the route to an entirely new class of hybrid glasses. (c) 2004 Elsevier B.V All rights reserved.

Effect of the ytterbium concentration on the upconversion luminescence of Yb3+/Er3+ co-doped PbO-GeO2-Ga2O3 glasses

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Previous illumination of a water soluble chlorine photosensitizer increases its cytotoxicity

Photodithazine (PDZ) is an N-methyl-D-glucosamine derivative of chlorine e6 that is water soluble and has an intense absorption in the range of 650-680 nm. PDZ photobleaching and photoproduct formation were induced by illumination with laser at two wavelengths: 514 nm (ion argon laser) as well as in 630 nm (dye laser). The time constants of PDZ photobleaching were: 18 min for 630 nm irradiation and 50 min for 514 nm irradiation, suggesting that degradation after irradiation with red light is faster than with green light. Photoproducts formation was evidenced by the appearance of a new absorption band at 668 nm with slight broaden of the Soret band, suggesting that there was no break of the macrocycle. The cytotoxicity of the photodegradated PDZ was investigated and showed to be lower in the dark and higher than non irradiated PDZ. These results may have important clinical implications for PDT such as the possibility to use the previously irradiated PDZ just before clinical application in order to get increased efficiency.

Messung des Landé-gJ-Faktors im Grundzustand von Ca + und Untersuchung des Speicherverhaltens von Elektronen in einem Penningkäfig

Ionenkäfige und speziell Penningfallen stellen sich in der Atomphysik als außergewöhnliche Werkzeuge heraus. Zum einen bieten diese 'Teilchencontainer' die Möglichkeit atomphysikalische Präzisionsmessungen durchzuführen und zum anderen stellen Penningfallen schwingungsfähige Systeme dar, in welchen nichtlineare dynamische Prozesse an gespeicherten Teilchen untersucht werden können. In einem ersten Teil der Arbeit wurde mit der in der Atomphysik bekannten Methode der optischen Mikrowellen-Doppelresonanz Spektroskopie der elektronische g-Faktor von Ca+ mit einer Genauigkeit von 4*10^{-8} zu gJ=2,00225664(9) bestimmt. g-Faktoren von Elektronen in gebundenen ionischen Systemen sind fundamentale Größen der Atomphysik, die Informationen über die atomare Wellenfunktion des zu untersuchenden Zustandes liefern. In einem zweiten Teil der Arbeit wurde hinsichtlich der Untersuchungen zur nichtlinearen Dynamik von parametrisch angeregten gespeicherten Elektronen beobachtet, dass ab bestimmten kritischen Teilchendichten in der Penningfalle die gespeicherten Elektronen kollektive Eigenschaften manifestieren. Weiterhin wurde bei der Anregung der axialen Eigenbewegung ein Schwellenverhalten der gemessenen Subharmonischen zur 2*omega_z-Resonanz beobachtet. Dieser Schwelleneffekt lässt sich mit der Existenz eines Dämpfungsmechanismus erklären, der auf die Elektronenwolke einwirkt, so dass eine Mindestamplitude der Anregung erforderlich ist, um diese Dämpfung zu überwinden. Durch Bestimmung der charakteristischen Kurven der gedämpften Mathieuschen Differentialgleichung konnte das beobachtete Phänomen theoretisch verstanden werden.

Selektiver Nachweis von Uran-236 mittels hochauflösender Resonanzionisations-Massenspektrometrie

Die vorliegende Dissertation beschreibt die Entwicklung, den Aufbau und die Erprobung eines neuartigen lasermassenspektrometrischen Nachweises des Ultraspurenisotops 236U. Das Nuklid 236U wird vorwiegend in Kernreaktoren durch Neutroneneinfang aus 235U gebildet und dient damit als Schlüsselisotop zur Unterscheidung anthropogenen Urans von natürlichem Uran-Vorkommen. Mit seinem Nachweis wird die Untersuchung der Migration von Kernbrennstoff in der Umwelt und die Beantwortung kritischer Fragen in der nuklearen Forensik ermöglicht. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Verfahren der hochauflösenden Resonanzionisations-Massenspektrometrie auf die Anforderungen des selektiven Nachweises von Uran-Isotopen angepasst. Wesentliche Schritte waren hierbei die Untersuchung einer effizienten Atomisation von Uran-Proben, die Identifikation atomarer und autoionisierender Zustände für eine resonante Anregungsleiter, die vollständige Spezifikation der Anregungsleiter für alle Uran-Isotope und schließlich die Umsetzung der Erkenntnisse in ein analytisches Messverfahren. Die optische Selektivität des Verfahrens konnte durch Dichtematrixrechnungen zu ca. 14 Größenordnungen abgeschätzt werden; die Nachweisgrenze des Verfahrens für das Isotopenverhältnis 236U / 238U ist dabei gegenwärtig durch Untergrund begrenzt und beträgt ca. 3 · 10−8. Mit diesen Spezifikationen konnte die Linearität und Präzision des Nachweisverfahrens über einen dynamischen Bereich von vier Größenordnungen nachgewiesen werden.

Nuclear charge radius of the halo nucleus lithium-11

Nuclear charge radii of short-lived isotopes can be probed in a nuclear-model independent way via isotope shift measurements. For this purpose a novel technique was developed at GSI, Darmstadt. It combines two-photon laser spectroscopy in the 2s-3s electronic transition of lithium, resonance ionization, and detection via quadrupole mass spectrometry. In this way an accuracy of 5e-5 which is necessary for the extraction of nuclear charge radii, and an overall detection efficiency of 1e-4 is reached. This allowed an isotope shift measurement of Li-11 for the first time at the TRIUMF facility in Vancouver. Additionally, uncertainties in the isotope shift for all other lithium isotopes were reduced by about a factor of four compared to previous measurements at GSI. Results were combined with recent theoretical mass shift calculations in three-electron systems and root-mean-square nuclear charge radii of all lithium isotopes, particulary of the two-neutron halo nucleus Li-11, were determined. Obtained charge radii decrease continuously from Li-6 to Li-9, while a strong increase between Li-9 and Li-11 is observed. This is compared to predictions of various nuclear models and it is found that a multicluster model gives the best overall agreement. Within this model, the increase in charge radius between Li-9 and Li-11is to a large extend caused by intrinsic excitation of the Li-9-like core while the neutron-halo correlation contributes only to a small extend.