On-axis joint transform correlation based on a four-level power spectrum

We propose a method to obtain a single centered correlation with use of a joint transform correlator. We analyze the required setup to carry out the whole process optically, and we also present experimental results.

Investigation of interaction between native and impurity defects in ZnSe

Zinc selenide is a prospective material for optoelectronics. The fabrication of ZnSe­based light-emitting diodes is hindered by complexity of p-type doping of the component materials. The interaction between native and impurity defects, the tendency of doping impurity to form associative centres with native defects and the tendency to self-compensation are the main factors impeding effective control of the value and type of conductivity. The thesis is devoted to the study of the processes of interaction between native and impurity defects in zinc selenide. It is established that the Au impurity has the most prominent amphoteric properties in ZnSe among Cu, Ag and Au impurities, as it forms a great number of both Au; donors and Auz„ acceptors. Electrical measurements show that Ag and Au ions introduced into vacant sites of the Zn sublattice form simple single-charged Agz„+ and Auzn+ states with d1° electron configuration, while Cu ions can form both single-charged Cuz„ (d1) and double-charged Cuzr`+ (d`o) centres. Amphoteric properties of Ag and Au transition metals stimulated by time are found for the first time from both electrical and luminescent measurements. A model that explains the changes in electrical and luminescent parameters by displacement of Ag ions into interstitial sites due to lattice deformation forces is proposed. Formation of an Ag;-donor impurity band in ZnSe samples doped with Ag and stored at room temperature is also studied. Thus, the properties of the doped samples are modified due to large lattice relaxation during aging. This fact should be taken into account in optoelectronic applications of doped ZnSe and related compounds.

Properties of amorphous silicon thin films grown in square wave modulated silane rf discharges.

Hydrogenated amorphous silicon (a‐Si:H) thin films have been obtained from pure SiH4 rf discharges by using the square wave modulation (SQWM) method. Film properties have been studied by means of spectroellipsometry, thermal desorption spectrometry, photothermal deflection spectroscopy and electrical conductivity measurements, as a function of the modulation frequency of the rf power amplitude (0.2-4000 Hz). The films deposited at frequencies about 1 kHz show the best structural and optoelectronic characteristics. Based upon the experimental results, a qualitative model is presented, which points up the importance of plasma negative ions in the deposition of a‐Si:H from SQWM rf discharges through their influence on powder particle formation.

Counter-propagating dual-trap optical tweezers based on linear momentum conservation

We present a dual-trap optical tweezers setup which directly measures forces using linear momentum conservation. The setup uses a counter-propagating geometry, which allows momentum measurement on each beam separately. The experimental advantages of this setup include low drift due to all-optical manipulation, and a robust calibration (independent of the features of the trapped object or buffer medium) due to the force measurement method. Although this design does not attain the high-resolution of some co-propagating setups, we show that it can be used to perform different single molecule measurements: fluctuation-based molecular stiffness characterization at different forces and hopping experiments on molecular hairpins. Remarkably, in our setup it is possible to manipulate very short tethers (such as molecular hairpins with short handles) down to the limit where beads are almost in contact. The setup is used to illustrate a novel method for measuring the stiffness of optical traps and tethers on the basis of equilibrium force fluctuations, i.e., without the need of measuring the force vs molecular extension curve. This method is of general interest for dual trap optical tweezers setups and can be extended to setups which do not directly measure forces.

Structural and optical properties of InAs/GaAs quantum structures

The goal of the thesis was to study fundamental structural and optical properties of InAs islands and In(Ga)As quantum rings. The research was carried out at the Department of Micro and Nanosciences of Helsinki University of Technology. A good surface quality can be essential for the potential applications in optoelectronic devices. For such device applications it is usually necessary to control size, density and arrangement of the islands. In order to study the dependence of the structural properties of the islands and the quantum rings on growth conditions, atomic force microscope was used. Obtained results reveal that the size and the density of the In(Ga)As quantum rings strongly depend on the growth temperature, the annealing time and the thickness of the partial capping layer. From obtained results it is possible to conclude that to get round shape islands and high density one has to use growth temperature of 500 ̊C. In the case of formation of In(Ga)As quantum rings the effect of mobility anisotropy is observed that so the shape of the rings is not symmetric. To exclude this effect it is preferable to use a higher annealing temperature of 570 ̊C. Optical properties were characterized by PL spectroscopy. PL emission was observed from buried InAs quantum dots and In(Ga)As quantum rings grown with different annealing time and temperature and covered with a various thickness of the partial capping layer.

Photoelectric Measurements and Modeling of Bacteriorhodopsin

Recent technology has provided us with new information about the internal structures and properties of biomolecules. This has lead to the design of applications based on underlying biological processes. Applications proposed for biomolecules are, for example, the future computers and different types of sensors. One potential biomolecule to be incorporated in the applications is bacteriorhodopsin. Bacteriorhodopsin is a light-sensitive biomolecule, which works in a similar way as the light sensitive cells of the human eye. Bacteriorhodopsin reacts to light by undergoing a complicated series of chemical and thermal transitions. During these transitions, a proton translocation occurs inside the molecule. It is possible to measure the photovoltage caused by the proton translocations when a vast number of molecules is immobilized in a thin film. Also the changes in the light absorption of the film can be measured. This work aimed to develop the electronics needed for the voltage measurements of the bacteriorhodopsin-based optoelectronic sensors. The development of the electronics aimed to get more accurate information about the structure and functionality of these sensors. The sensors used in this work contain a thick film of bacteriorhodopsin immobilized in polyvinylalcohol. This film is placed between two transparent electrodes. The result of this work is an instrumentation amplifier which can be placed in a small space very close to the sensor. By using this amplifier, the original photovoltage can be measured in more detail. The response measured using this amplifier revealed two different components, which could not be distinguished earlier. Another result of this work is the model for the photoelectric response in dry polymer films.

The influence of a certain volume of fluid in the lower tear meniscus on intraocular pressure measurements using the non-contact tonometer

Background: Intraocular pressure (IOP) is the pressure inside the eye that helps to maintain the integrity and the suitable form of the ocular globe. Precise and accurate measures of IOP are needed for the diagnosis as well as follow-up of glaucoma. In daily clinical practice, Goldmann applanation tonometer (GAT) and Non-contact tonometer (NCT) are the most common devices for measuring IOP. A close agreement between these methods has been showed, particularly in normotensive patients and a poor agreement, especially when IOP levels are above the normal range. Ophthalmologists have noticed a poor agreement between NCT and GAT, observing that by using NCT and after comparing with GAT, there is an overestimation of IOP readings, and particularly it occurs when the eyes are tearful. Previous studies investigate the effect of tears in Non-contact tonometer readings by the instillation of artificial tears, concluding in one of the studies that the variation was less than 1mmHg and not clinically significant, in contrast with another study which the increases were sadistically significant. Tear menisci are a thin strip of tear fluid located between the bulbar conjunctiva and the eyelid margins. We think that the overestimation of IOP readings using NCT could be due to the presence of a higher volume of tear in the lower tear meniscus which might cause an optical interference in the optoelectronic applanation monitoring system of this deviceObjectives: To research the influence of a certain volume of fluid in the lower tear meniscus on IOP measurements using the NCT in healthy eyes. Moreover, to investigate the agreement between IOP readings obtained by NCT and GAT in the presence and absence of this volume of fluidMethods: The study design will be transversal for diagnostic tests of repeated measures. We will study patients with no ocular pathology and IOP<21mmHg. It will consist in the measurement of IOP using NCT before and after the instillation of COLIRCUSÍ FLUOTEST, used as a volume of fluid in the lower tear meniscus, to observe if there will be differences using the paired t-test. Moreover, we will take IOP measures by GAT in order to know the agreement between these methods after and before the application of these eyedrops, using the ICC (intraclass correlation coefficient) and the Bland-Altmann method

Time-Resolved Photoluminescence in Antimonide and Dilute Nitride Quantum Well Structures

This Master's thesis is devoted to semiconductor samples study using time-resolved photoluminescence. This method allows investigating recombination in semiconductor samples in order to develop quality of optoelectronic device. An additional goal was the method accommodation for low-energy-gap materials. The first chapter gives a brief intercourse into the basis of semiconductor physics. The key features of the investigated structures are noted. The usage area of the results covers saturable semiconductor absorber mirrors, disk lasers and vertical-external-cavity surface-emittinglasers. The experiment set-up is described in the second chapter. It is based on up-conversion procedure using a nonlinear crystal and involving the photoluminescent emission and the gate pulses. The limitation of the method was estimated. The first series of studied samples were grown at various temperatures and they suffered rapid thermal annealing. Further, a latticematched and metamorphically grown samples were compared. Time-resolved photoluminescence method was adapted for wavelengths up to 1.5 µm. The results allowed to specify the optimal substrate temperature for MBE process. It was found that the lattice-matched sample and the metamorphically grown sample had similar characteristics.

Unusual bismuth-containing surface layers of III-V compound semiconductors

The understanding and engineering of bismuth (Bi) containing semiconductor surfaces are signi cant in the development of novel semiconductor materials for electronic and optoelectronic devices such as high-e ciency solar cells, lasers and light emitting diodes. For example, a Bi surface layer can be used as a surfactant which oats on a III-V compound-semiconductor surface during the epitaxial growth of IIIV lms. This Bi surfactant layer improves the lm-growth conditions if compared to the growth without the Bi layer. Therefore, detailed knowledge of the properties of the Bi/III-V surfaces is needed. In this thesis, well-de ned surface layers containing Bi have been produced on various III-V semiconductor substrates. The properties of these Bi-induced surfaces have been measured by low-energy electron di raction (LEED), scanning-tunneling microscopy and spectroscopy (STM), and synchrotron-radiation photoelectron spectroscopy. The experimental results have been compared with theoretically calculated results to resolve the atomic structures of the studied surfaces. The main ndings of this research concern the determination of the properties of an unusual Bi-containing (2×1) surface structure, the discovery and characterization of a uniform pattern of Bi nanolines, and the optimization of the preparation conditions for this Bi-nanoline pattern.

Dynamics of chest wall volume regulation during constant work rate exercise in patients with chronic obstructive pulmonary disease

This study evaluated the dynamic behavior of total and compartmental chest wall volumes [(V CW) = rib cage (V RC) + abdomen (V AB)] as measured breath-by-breath by optoelectronic plethysmography during constant-load exercise in patients with stable chronic obstructive pulmonary disease. Thirty males (GOLD stages II-III) underwent a cardiopulmonary exercise test to the limit of tolerance (Tlim) at 75% of peak work rate on an electronically braked cycle ergometer. Exercise-induced dynamic hyperinflation was considered to be present when end-expiratory (EE) V CW increased in relation to resting values. There was a noticeable heterogeneity in the patterns of V CW regulation as EEV CW increased non-linearly in 17/30 "hyperinflators" and decreased in 13/30 "non-hyperinflators" (P < 0.05). EEV AB decreased slightly in 8 of the "hyperinflators", thereby reducing and slowing the rate of increase in end-inspiratory (EI) V CW (P < 0.05). In contrast, decreases in EEV CW in the "non-hyperinflators" were due to the combination of stable EEV RC with marked reductions in EEV AB. These patients showed lower EIV CW and end-exercise dyspnea scores but longer Tlim than their counterparts (P < 0.05). Dyspnea increased and Tlim decreased non-linearly with a faster rate of increase in EIV CW regardless of the presence or absence of dynamic hyperinflation (P < 0.001). However, no significant between-group differences were observed in metabolic, pulmonary gas exchange and cardiovascular responses to exercise. Chest wall volumes are continuously regulated during exercise in order to postpone (or even avoid) their migration to higher operating volumes in patients with COPD, a dynamic process that is strongly dependent on the behavior of the abdominal compartment.

Spectral characteristics of bacteriorhodopsin water solution

The object of the study is bacteriorhodopsin. This light-sensitive protein have been selected as perspective substance for optical and optoelectronic applications. Bacteriorhodopsin carries out pumping protons through the cell membrane. Biomolecule converts light into an electric signal when sandwiched between electrodes. These properties were utilized in this research to implement photosensors on the basis of BR layers. These properties were utilized in this research to the bR water solution. According to the absorption spectra and using Kramers – Kronig relation the extinction coefficient has been calculated, as well as the related change of the refractive index value.

Etude théorique des propriétés électroniques et optiques des super-réseaux de Si/SiO2

FRANCAIS: L'observation d'une intense luminescence dans les super-réseaux de Si/SiO2 a ouvert de nouvelles avenues en recherche théorique des matériaux à base de silicium, pour des applications éventuelles en optoélectronique. Le silicium dans sa phase cristalline possède un gap indirect, le rendant ainsi moins intéressant vis-à-vis d'autres matériaux luminescents. Concevoir des matériaux luminescents à base de silicium ouvrira donc la voie sur de multiples applications. Ce travail fait état de trois contributions au domaine. Premièrement, différents modèles de super-réseaux de Si/SiO2 ont été conçus et étudiés à l'aide de calculs ab initio afin d'en évaluer les propriétés structurales, électroniques et optiques. Les deux premiers modèles dérivés des structures cristallines du silicium et du dioxyde de silicium ont permis de démontrer l'importance du rôle de l'interface Si/SiO2 sur les propriétés optiques. De nouveaux modèles structurellement relaxés ont alors été construits afin de mieux caractériser les interfaces et ainsi mieux évaluer la portée du confinement sur les propriétés optiques. Deuxièmement, un gap direct dans les modèles structurellement relaxés a été obtenu. Le calcul de l'absorption (par l'application de la règle d'or de Fermi) a permis de confirmer que les propriétés d'absorption (et d'émission) du silicium cristallin sont améliorées lorsque celui-ci est confiné par le SiO2. Un décalage vers le bleu avec accroissement du confinement a aussi été observé. Une étude détaillée du rôle des atomes sous-oxydés aux interfaces a de plus été menée. Ces atomes ont le double effet d'accroître légèrement le gap d'énergie et d'aplanir la structure électronique près du niveau de Fermi. Troisièmement, une application directe de la théorique des transitions de Slater, une approche issue de la théorie de la fonctionnelle de la densité pour des ensembles, a été déterminée pour le silicium cristallin puis comparée aux mesures d'absorption par rayons X. Une très bonne correspondance entre cette théorie et l'expérience est observée. Ces calculs ont été appliqués aux super-réseaux afin d'estimer et caractériser leurs propriétés électroniques dans la zone de confinement, dans les bandes de conduction.

Préparation, étude de l’orientation et caractérisation physico-chimique de films polymères comportant des fluorophores

Les propriétés intrinsèques, photophysiques, électrochimiques et cristallographiques des molécules fluorescentes 4,4'-bis(2-benzoxazolyle)stilbène (BBS) et 2,5-bis(5-tert-butyl-2-benzoxazolyle)thiophène (BBT) ont été étudiées en solution et dans les polymères semi-cristallins : poly(butylène succinate) (PBS) et polylactide (PLA). Les deux fluorophores sont caractérisés par de hauts rendements quantiques absolus de fluorescence. Toutefois, une désactivation de la fluorescence peut se produire par croisement intersystème vers l'état triplet pour le BBT, et par photoisomérisation trans-cis pour le BBS. La cinétique de ce dernier processus dépend de la concentration, résultant en un pur isomère cis photo-induit à faibles concentrations, qui est accompagné à des concentrations élevées par l'apparition d'un composé acide après photo-clivage suivi d'une oxydation. Cette étude a révélé des changements spectroscopiques prononcés suite à l’augmentation de la concentration des fluorophores, en particulier à l'état solide, spécifiques à l'agrégation des molécules à l'état fondamental pour le BBT et à la formation d’excimères pour le BBS, permettant ainsi de corréler les propriétés fluorescentes avec les caractéristiques du monocristal pour chaque fluorophore. En outre, le passage d’une dispersion moléculaire à une séparation de phases dans le cas du BBS est accompagné d'un changement de couleur du bleu au vert, qui est sensible à la déformation, à la température et au temps, affectant les rendements quantiques absolus de fluorescence et fournissant une large opportunité à la création d'une grande variété de polymères intelligents indicateurs capables d'auto-évaluation. D’autre part, la solubilité élevée du BBT dans les solvants courants, combinée à ses propriétés optoélectroniques élevées, en font un candidat en tant que référence universelle de fluorescence et matériau intelligent à la fois pour les études de polymères et en solution. Similairement aux mélanges comprenant des polymères miscibles, l'orientation du PBS augmente après ajout d'une molécule fluorescente, dont les monomères ont tendance à être orientés dans des films étirés, contrairement aux excimères ou agrégats.

Réduction de la durée de vie des porteurs de charge dans le silicium noir par implantation ionique

Le but de ce projet est d’étudier l’effet des défauts cristallins sur les propriétés optoélectroniques de photodétecteurs fabriqué à partir de « silicium noir », c’est-à-dire du silicium dopé et microstructuré par impulsions laser femtoseconde, ce qui lui donne une apparence noire mate caractéristique. Des échantillons de silicium noir ont été recuits puis implantés avec des ions ayant une énergie de 300 keV (Si+), 1500 keV (Si+) ou 2000 keV (H+). Trois fluences pour chaque énergie d’implantation ont été utilisées (1E11, 1E12, ou 1E13 ions/cm2) ce qui modifie le matériau en ajoutant des défauts cristallins à des profondeurs et concentrations variées. Neuf photodétecteurs ont été réalisés à partir de ces échantillons implantés, en plus d’un détecteur-contrôle (non-implanté). La courbe de courant-tension, la sensibilité spectrale et la réponse en fréquence ont été mesurées pour chaque détecteur afin de les comparer. Les détecteurs ont une relation de courant-tension presque ohmique, mais ceux implantés à plus haute fluence montrent une meilleure rectification. Les implantations ont eu pour effet, en général, d’augmenter la sensibilité des détecteurs. Par exemple, l’efficacité quantique externe passe de (0,069±0,001) % à 900 nm pour le détecteur-contrôle à (26,0±0,5) % pour le détecteur ayant reçu une fluence de 1E12 cm-2 d’ions de silicium de 1500 keV. Avec une tension appliquée de -0,50 V, la sensibilité est améliorée et certains détecteurs montrent un facteur de gain de photocourant supérieur à l’unité, ce qui implique un mécanisme de multiplication (avalanche ou photoconductivité). De même, la fréquence de coupure a été augmentée par l’implantation. Une technique purement optique a été mise à l’essai pour mesurer sans contacts la durée de vie effective des porteurs, dans le but d’observer une réduction de la durée de vie causée par les défauts. Utilisant le principe de la réflexion photo-induite résolue en fréquence, le montage n’a pas réuni toutes les conditions expérimentales nécessaires à la détection du signal.

Méthode numérique d'estimation du mouvement des masses molles

L’analyse biomécanique du mouvement humain en utilisant des systèmes optoélectroniques et des marqueurs cutanés considère les segments du corps comme des corps rigides. Cependant, le mouvement des tissus mous par rapport à l'os, c’est à dire les muscles et le tissu adipeux, provoque le déplacement des marqueurs. Ce déplacement est le fait de deux composantes, une composante propre correspondant au mouvement aléatoire de chaque marqueur et une composante à l’unisson provoquant le déplacement commun des marqueurs cutanés lié au mouvement des masses sous-jacentes. Si nombre d’études visent à minimiser ces déplacements, des simulations ont montré que le mouvement des masses molles réduit la dynamique articulaire. Cette observation est faite uniquement par la simulation, car il n'existe pas de méthodes capables de dissocier la cinématique des masses molles de celle de l’os. L’objectif principal de cette thèse consiste à développer une méthode numérique capable de distinguer ces deux cinématiques. Le premier objectif était d'évaluer une méthode d'optimisation locale pour estimer le mouvement des masses molles par rapport à l’humérus obtenu avec une tige intra-corticale vissée chez trois sujets. Les résultats montrent que l'optimisation locale sous-estime de 50% le déplacement des marqueurs et qu’elle conduit à un classement de marqueurs différents en fonction de leur déplacement. La limite de cette méthode vient du fait qu'elle ne tient pas compte de l’ensemble des composantes du mouvement des tissus mous, notamment la composante en unisson. Le second objectif était de développer une méthode numérique qui considère toutes les composantes du mouvement des tissus mous. Plus précisément, cette méthode devait fournir une cinématique similaire et une plus grande estimation du déplacement des marqueurs par rapport aux méthodes classiques et dissocier ces composantes. Le membre inférieur est modélisé avec une chaine cinématique de 10 degrés de liberté reconstruite par optimisation globale en utilisant seulement les marqueurs placés sur le pelvis et la face médiale du tibia. L’estimation de la cinématique sans considérer les marqueurs placés sur la cuisse et le mollet permet d'éviter l’influence de leur déplacement sur la reconstruction du modèle cinématique. Cette méthode testée sur 13 sujets lors de sauts a obtenu jusqu’à 2,1 fois plus de déplacement des marqueurs en fonction de la méthode considérée en assurant des cinématiques similaires. Une approche vectorielle a montré que le déplacement des marqueurs est surtout dû à la composante à l’unisson. Une approche matricielle associant l’optimisation locale à la chaine cinématique a montré que les masses molles se déplacent principalement autour de l'axe longitudinal et le long de l'axe antéro-postérieur de l'os. L'originalité de cette thèse est de dissocier numériquement la cinématique os de celle des masses molles et les composantes de ce mouvement. Les méthodes développées dans cette thèse augmentent les connaissances sur le mouvement des masses molles et permettent d’envisager l’étude de leur effet sur la dynamique articulaire.