Darstellende Optik /

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Handbuch der physiologischen Optik / von H. von Helmholtz.

"Issued in 17 parts, 1886-1896." - L.C.

Die elektrischen Erscheinungen in metallischen Leitern (Leitung, Thermoelektrizität, galvanomagnetische Effekte, Optik)

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Sensordatenfusionsansätze in der Thermografie zur Verbesserung der Messergebnisse

Thermografie hat sich als wichtiges Hilfsmittel für die Inspektion, Prüfung und Überwachung etabliert. Bei vielen Anwendungen ist eine einzelne Messung allein oft nicht aussagekräftig, z. B. weil Strukturen nicht deutlich genug wahrgenommen werden können, das Messobjekt größer als das Blickfeld der Optik ist oder sich Kenngrößen erst aus dem zeitlichen Verlauf von Messungen ergeben. Zudem erfasst der Bediener der Kamera mit seinen Sinnen und seiner Erfahrung noch viele weitere Einflussgrößen, die bei der Entscheidungsfindung berücksichtigt werden. Eine Automatisierung von Inspektionsaufgaben in unbekannten Umgebungen ist also sehr komplex. In dieser Arbeit werden daher verschiedene Sensordatenfusionsansätze untersucht, die in der Thermografie eingesetzt werden können. Das Ziel bei der Fusion ist dabei die Verbesserung der Qualität der Messung und die Vergrößerung der verfügbaren Menge an nutzbaren Informationen über ein Messobjekt. Die betrachteten Ansätze können entweder nur mit Messungen der Thermografiekamera durchgeführt werden: zur Rauschunterdrückung durch zeitliche Mittelwertbildung, zur Vergrößerung der Schärfentiefe durch Kombination von Aufnahmen mit unterschiedlichem Fokus, zur Vergrößerung der Dynamik (also des Temperaturmessbereichs) durch Kombination von Messungen mit unterschiedlichen Messbereichen und durch Veränderung von Filtereinstellungen zur Unterdrückung von Störungen und zum Ableiten von geometrischen Informationen und Oberflächeneigenschaften. Weiterhin kann durch Veränderung der Kameraausrichtung das Blickfeld vergrößert und die geometrische Auflösung verbessert werden. Die Datenfusion von Thermogrammen kann aber auch mit Daten von anderen bildgebenden Messgeräten durchgeführt werden. Betrachtet wird die Kombination mit normalen Kameras im sichtbaren Spektralbereich, Thermografiekameras in anderen Wellenlängenbereichen und Tiefenkameras/Entfernungsmessgeräten (3D-Scanner, Laserscanner). Dadurch lassen sich für einen Messpunkt mehr Informationen gewinnen und die Messdaten können geometrisch als 3D-Modelle interpretiert und analysiert werden. Die Vielzahl an Informationen soll eine solide Dokumentation und gute (automatische) Analyse ermöglichen. Neben den Grundlagen zur Thermografie, dem punktweisen Zusammenführen von Messdaten und den oben genannten Sensordatenfusionsansätzen, wird ein Anwendungsbeispiel gezeigt. Darin soll die Machbarkeit der automatisierten Inspektionsdurchführung und die Kombination und praktische Anwendung der verschiedenen Sensordatenfusionsansätze gezeigt werden.

Methods of generating carrier-envelope-phase stabilized, intense, few-cycle laser pulses

Ultrafast laser pulses have become an integral part of the toolbox of countless laboratories doing physics, chemistry, and biological research. The work presented here is motivated by a section in the ever-growing, interdisciplinary research towards understanding the fundamental workings of light-matter interactions. Specifically, attosecond pulses can be useful tools to obtain the desired insight. However access to, and the utility of, such pulses is dependent on the generation of intense, few-cycle, carrier-envelope-phase stabilized laser pulses. The presented work can be thought of as a sort of roadmap towards the latter. From the oscillator which provides the broadband seed to amplification methods, the integral pieces necessary for the generation of attosecond pulses are discussed. A range of topics from the fundamentals to design challenges is presented, outfitting the way towards the practical implementation of an intense few-cycle carrier-envelope-phase stabilized laser source.

Magneto-optische Oberflächenplasmonresonanzeffekte in austauschverschobenen Dünnschichtsystemen

Die Wechselwirkungen zwischen Biomolekülen spielen eine zentrale Rolle in der biochemischen und pharmazeutischen Forschung. In der biomolekularen Interaktionsanalyse sind dabei Biosensoren auf Basis des Oberflächenplasmonresonanzeffekts (SPR-Effekt) weitverbreitet. Seit Einführung der ersten kommerziellen SPR-Biosensoren Anfang der 1990er Jahre wurden verschiedenste Messanordnungen sowie Materialsysteme mit dem Ziel einer möglichst hohen Empfindlichkeit getestet. Eine Möglichkeit zur Steigerung der Empfindlichkeit klassischer SPR-Systeme bieten sogenannte magneto-optische SPR-Biosensoren (MOSPR-Biosensoren). Grundlage der Empfindlichkeitssteigerung ist die gleichzeitige Messung des SPR-Effekts und des transversalen magneto-optischen KERR-Effekts (tMOKE). Bisherige Untersuchungen haben sich meist auf den Einfluss der Magnetisierung freier ferromagnetischer Schichten beschränkt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden erstmals austauschverschobene Dünnschichtsysteme (EB-Systeme), eine Kombination aus Ferromagnet und Antiferromagnet, hinsichtlich ihrer Eignung für SPR- und MOSPR-basierte biosensorische Anwendungen untersucht. Aufgrund der remanenten Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht und ihrer magnetischen Strukturierbarkeit sind EB-Systeme eine hochinteressante Plattform zur Realisierung neuer Biosensorkonzepte. Zur Reduzierung der stark dämpfendenden Wirkung magnetischer Materialien wurde das hier betrachtete IrMn/Co EB-System zwischen zwei Goldschichten eingebettet. Eine Gegenüberstellung optimierter Au/ IrMn/Co/Au-Systeme mit einem reinen Au-System, wie es typischerweise in kommerziellen SPR-basierten Biosensoren eingesetzt wird, demonstriert, dass mit den entwickelten EB-Systemen vergleichbare Empfindlichkeiten in SPR-Sensor-Anwendungen erreicht werden können. Die magneto-optische Aktivität der untersuchten Dünnschichtsysteme liegt im Bereich der Literaturwerte für Au/Co/Au-Systeme, mit denen erhöhte Empfindlichkeiten gegenüber Standard-SPR-Biosensoren realisiert wurden. Auf Grundlage magnetisch strukturierter Au/IrMn/Co/Au-Systeme wurden neue Biosensorkonzepte entwickelt und getestet. Erste Experimente belegen, dass mit diesen Schichtsystemen eine gleichzeitige Detektion der magnetisierungsabhängigen Reflektivitäten in ortsauflösenden MOSPR-Messungen möglich ist. Eine solche Messanordnung profitiert von der erhöhten Empfindlichkeit MOSPR-basierter Biosensoren, hohen Messgeschwindigkeiten und einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis. Weiterhin wurde der domänenwandassistierte Transport (DOWMAT) superparamagnetischer Partikel über der Oberfläche eines exemplarischen EB-Systems, zur Sensorintegration von Misch-, Reinigungs- und Aufkonzentrationsfunktionen erfolgreich getestet. Die Ergebnisse demonstrieren, dass ein Transport von Partikelreihen mit hohen Geschwindigkeiten bei moderaten externen Magnetfeldern über den entwickelten Schichtsystemen möglich ist. Die Agglomeration der Partikel wird dabei intrinsisch vermieden. Diese Beobachtungen verdeutlichen die Vorzüge des DOWMAT-Mechanismus für biosensorische Anwendungen. Die präsentierten Untersuchungen bilden die Grundlage auf dem Weg zur Umsetzung neuer vielversprechender Biosensorkonzepte, die eine Schlüsselfunktion in der medizinischen point-of-care-Diagnostik bei der Detektion kleinster Konzentrationen krankheitsrelevanter Biomarker einnehmen können.

Wave optics analysis by phase-shifting real-time holographic interferometry

The purpose of this work is to study the potentialities in the phase-shifting real-time holographic interferometry using photorefractive crystals as the recording medium for wave-optics analysis in optical elements and non-linear optical materials. This technique was used for obtaining quantitative measurements from the phase distributions of the wave front of lens and lens systems along the propagation direction with in situ visualization, monitoring and analysis in real time. (C) 2008 Elsevier GmbH. All rights reserved.

Reflection of matter waves in potential structures

In this paper the behavior of matter waves in suddenly terminated potential structures is investigated numerically. It is shown that there is no difference between a fully quantum mechanical treatment and a semiclassical one with regards to energy redistribution. For the quantum case it is demonstrated that there can be substantial reflection at the termination. The neglect of backscattering by the semiclassical method brings about major differences in the case of low kinetic energies. A simple phenomenological model is shown to partially explain the observed backscattering using dynamics of reduced dimensionality.

Adiabatic propagation in potential structures

In this work the adiabatic approximation is applied to the propagation of matter waves in confined geometries like those experimentally realized in recent atom optical experiments. Adiabatic propagation along a channel is assumed not to mix the various transverse modes. Nonadiabatic corrections arise from the potential squeezing and bending. Here we investigate the effect of the former. Detailed calculations of two-dimensional propagation are carried out both exactly and in an adiabatic approximation. This offers the possibility to analyze the validity of adiabaticity criteria. A semiclassical (sc) approach, based on the sc Massey parameter is shown to be inadequate, and the diffraction due to wave effects must be included separately. This brings in the Fresnel parameter well known from optical systems. Using these two parameters, we have an adequate understanding of adiabaticity on the system analyzed. Thus quantum adiabaticity must also take cognizance of the intrinsic diffraction of matter waves.

Localization in splitting of matter waves

In this paper we present an analysis of how matter waves, guided as propagating modes in potential structures, are split under adiabatic conditions. The description is formulated in terms of localized states obtained through a unitary transformation acting on the mode functions. The mathematical framework results in coupled propagation equations that are decoupled in the asymptotic regions as well before as after the split. The resulting states have the advantage of describing propagation in situations, for instance matter-wave interferometers, where local perturbations make the transverse modes of the guiding potential unsuitable as a basis. The different regimes of validity of adiabatic propagation schemes based on localized versus delocalized basis states are also outlined. Nontrivial dynamics for superposition states propagating through split potential structures is investigated through numerical simulations. For superposition states the influence of longitudinal wave-packet extension on the localization is investigated and shown to be accurately described in quantitative terms using the adiabatic formulations presented here.

Limits to phase resolution in matter-wave interferometry

We study the quantum dynamics of a two-mode Bose-Einstein condensate in a time-dependent symmetric double-well potential using analytical and numerical methods. The effects of internal degrees of freedom on the visibility of interference fringes during a stage of ballistic expansion are investigated varying particle number, nonlinear interaction sign and strength, as well as tunneling coupling. Expressions for the phase resolution are derived and the possible enhancement due to squeezing is discussed. In particular, the role of the superfluid-Mott insulator crossover and its analog for attractive interactions is recognized.