Fakultät für Physik - Digitale Hochschulschriften der LMU - Teil 05/05

Raman scattering can be applied to biological imaging to identify molecules in a sample without the need for adding labels. Raman microscopy can be used to visualize functional areas at the cellular level by means of a molecular contrast and is thus a highly desired imaging tool to identify diseases in biomedical imaging. The underlying Raman scattering effect is an optical inelastic scattering effect, where energy is transferred to molecular excitations. Molecules can be identified by monitoring this energy loss of the pump light, which corresponds to a vibrational or rotational energy of the scattering molecule. With Raman scattering, the molecules can be identified by their specific vibrational energies and even quantified due to the signal height. This technique has been known for almost a century and finds vast applications from biology to medicine and from chemistry to homeland security. A problem is the weak effect, where usually only one in a billion photons are scattered. Non-linear enhancement techniques can improve the signal by many orders of magnitude. This can be especially important for fast biomedical imaging of highly scattering media and for high resolution spectroscopy, surpassing the resolution of usual spectrometers.

In this thesis a new system for stimulated Raman spectroscopy (SRS) and hyperspectral Raman microscopy with a rapidly wavelength swept laser is presented. A time-encoded (TICO) technique was developed that enables direct encoding of the Raman transition energy in time and direct detection of the intensity change on the Stokes laser by employing fast analogue-to-digital converter (ADC) cards (1.8 Gigasamples/s).

Therefore, a homebuilt pump laser was developed based on a fiber-based master oscillator power amplifier (MOPA) at 1064 nm and extended by a Raman shifter that can shift the output wavelength to 1122 nm or 1186 nm. This is achieved by seeding the Raman amplification in the fiber with a narrowband 1122 nm laser diode. Surprisingly, this also leads to narrowband (0.4 cm-1) cascaded Raman shifts at 1186 nm and 1257 nm, which is in contrast to the usually broadband spontaneous Raman transition in fused silica. The underlying effect was examined and therefore concluded that it is most probably due to a combined four-wave-mixing and cascaded Raman scattering mechanism. Experimentally, the narrowband cascaded Raman line was used to record a high-resolution TICO-Raman spectrum of benzene.

As Raman Stokes laser, a rapidly wavelength swept Fourier domain mode-locked (FDML) laser was employed which provides many advantages for SRS. The most important advantages of this fiber based laser are that it enables coverage of the whole range of relevant Raman energies from 250 cm-1 up to 3150 cm-1, while being a continuous wave (CW) laser, which at the same time allows high resolution (0.5 cm-1) spectroscopy. Further, it enables a new dual stage balanced detection which permits shot noise limited SRS measurements and, due to the well-defined wavelength sweep, the TICO-Raman technique directly provides high-quality Raman spectra with accurate Raman transition energy calibration.

This setup was used for different applications, including Raman spectroscopy and non-linear microscopy. As results, broadband Raman spectra are presented and compared to a state-of-the-art spontaneous Raman spectrum. Furthermore, several spectroscopic features are explored. For first imaging results, samples were raster scanned with a translational stage and at each pixel a TICO-Raman spectrum acquired. This led to a hyperspectral Raman image which was transformed into a color-coded image with molecular contrast. Biological imaging of a plant stem is presented. The setup further allowed performing multi-photon absorption imaging by two-photon excited fluorescence (TPEF).

In summary, this thesis presents the design, development and preliminary testing of a new and promising platform for spectroscopy and non-linear imaging.

Galaxienhaufen sind die größten und massivstem gravitativ gebundenen Objekte im Universum, die Zeit hatten, zu kollabieren und virialisieren. Das Intracluster-Medium (ICM) innerhalb Galaxienhaufen ist ein Plasma, das durch Röntgenstrahlung sichtbar ist. Galaxien in Galaxienhaufen sind durch optische Strahlung zu sehen, sie sind hauptsächlich rot und haben eine niedrige Sternbildungsrate. Neu akkretierte Galaxien können blauere Farben und eine höhere Sternbildungsrate aufweisen und werden durch Interaktion mit dem ICM röter. Wachstum von Galaxienhaufen findet durch sporadisches Verschmelzen mit anderen Galaxienhaufen und Gruppen statt, oder durch gleichmäßige Akkretion von Galaxien aus dem Milieu.

Um die Hauptfrage »ergänzen sich Röntgen- und optische Messungen von Galaxienhaufen, oder zeigen sie dasselbe?« zu beantworten, haben wir eine Studie durchgeführt, bei der die Verteilung von Galaxien und ICM in Galaxienhaufen verglichen wurden. Im Besonderen, haben wir untersucht, ob optische Daten zusätzliche Information wegen der dynamische Befindlichkeit von einzelnen Galaxienhaufen liefern, die nicht aus Röntgendaten allein hervorgehen können. Surveys in Röntgen und optischer Strahlung sind in den nächsten Jahrzehnten zu erwarten, die Daten von viel weiteren Gebieten des Universums liefern werden. Diese Daten können, mit den Methoden, die wir hier vorlegen, untersucht werden.

Wir benutzten Weitwinkelbeobachtungen des MPG/ESO 2.2 m Telescopes und Röntgenbeobachtungen von XMM-Newton, um die Distribution von Galaxien innerhalb Galaxienhaufen mit der Distribution des ICM zu vergleichen. Wir haben gefunden, dass die 1D Radialdistribution der roten Galaxien zu der des ICM zusammenpasst, aber die blauen Galaxien folgen einem flacheren Profil. Mit 2D Abbildungen der Galaxienhaufen, haben wir gefunden dass die roten Galaxien sehr ähnlich verteilt sind, wie das ICM, aber fast jeder Galaxienhaufen hat unvirialisierte rote Subklumpen. Blaue Galaxien anderseits haben zu wenig Zeit zum virialisiern bevor sie rot werden, weil sie ihre sternbildendes Gas innerhalb einer Übergangszeit durch ICM-Staudruckstripping verliern. Röntgenbeobachtungen sind besser für die Bestimmung des Verschmelzungsverlaufes von Galaxienhaufen, weil sie die Kennzeichen von Verschmelzung für eine kürzere Zeit zeigen. Wir haben mehrere Subklumpen von roten Galaxien entdeckt, die scheinen auf einfallenden Trajektorien in Galaxienhaufen zu sein und noch merkliche Mengen von Röntgenemittierendem Gas zu haben.

Attosecond pulses are ultrashort radiation bursts produced via high

harmonic generation (HHG) during a highly nonlinear excitation process

driven by a near infrared (NIR) laser

pulse. Attosecond pulses can be used

to probe the electron dynamics in ultrafast processes via the attosecond

streaking technique, with a resolution on the

attosecond time scale.

In this thesis it is shown that both the generation of attosecond (AS) pulses

and the probing of ultrafast processes by means of AS pulses, can

be extended to cases in which the respective driving and streaking fields are produced by

surface plasmons excited on nanostructures at NIR wavelengths.

Surface plasmons are optical modes generated by collective oscillations of the surface

electrons in resonance with an external source.

In the first part of this thesis, the idea of high harmonic generation (HHG)

in the enhanced field of a surface plasmon is analyzed in detail by means of numerical simulations.

A NIR pulse is coupled

into a surface plasmon propagating in a hollow core tapered

waveguide filled with noble gas. The plasmon field intensity

increases for decreasing waveguide radius, such that at the apex

the field enhancement is sufficient for producing high harmonic radiation.

It is shown that with this setup it is possible to generate isolated AS pulses

with outstanding spatial and temporal structure, but with an intensity of orders of magnitude smaller than in standard gas harmonic

arrangements.

In the second part, an experimental technique for the imaging

of surface plasmonic excitations on nanostructured surfaces is proposed,

where AS pulses are used to probe the surface field by means of

photoionization. The concept constitutes an

extension of the attosecond streak camera

to ``Attosecond Photoscopy'', which allows

space- and time-resolved imaging of the plasmon dynamics during

the excitation process. It is numerically demonstrated that the relevant parameters of the

plasmonic resonance buildup phase can be determined with subfemtosecond precision.

Finally, the method used for the numerical solution of

the Maxwell's equations is discussed, with

particular attention to the problem of absorbing boundary conditions.

New insights into the mathematical formulation of the absorbing

boundary conditions for Maxwell's equations are provided.

Das kosmologische Prinzip der Homogenität und statistischen Isotropie des Raumes ist eine fundamentale Annahme der modernen Kosmologie. Auf dieser Basis wird die Existenz einer inflationären Phase im jungen Universum postuliert, welche wiederum primordiale Gaußverteilte Fluktuationen vorhersagt, welche sich im kosmischen Mikrowellenhintergrund als Temperatur- und Polarisationsanisotropien manifestieren. Die Grundidee meiner Arbeit war die Weiterentwicklung einer modellunabhängigen Untersuchungsmethode, welche die Gauß’sche Hypothese für die Dichtefluktuationen testet, wobei die Gaußianität eines Ensembles mit der Zufallsverteilung der Fourier Phasen im Phasenraum definiert wird.

Die Methode basiert auf einer nichtlinearen Datenanalyse mit Hilfe von Surrogatkarten, welche die linearen Eigenschaften eines Datensatzes imitieren. Im Rahmen der Surrogatmethode habe ich unter Verwendung zweier verschiedener Bildanalyseverfahren, nämlich den Minkowski Funktionalen und den Skalierungsindizes, beide sensitiv auf Korrelationen höherer Ordnung, Karten der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung des WMAP und des Planck Experimentes auf skalenabhängige Phasenkorrelationen untersucht. Ein Schwerpunkt lag hierbei auf Studien zu hemisphärischen Asymmetrien und zum Einfluss der galaktischen Ebene auf die Resultate. Aus der Analyse der Phasenkorrelationen im Phasenraum entwickelte ich neue Methoden zur Untersuchung von Korrelationen zwischen Statistiken höherer Ordnung im Ortsraum und den Informationen des Phasenraumes.

Beide Bildanalyseverfahren detektierten Phasenkorrelationen auf den größten Skalen des kosmischen Mikrowellenhintergrundes in vergleichbarer Ausprägung. Der Einfluss der galaktischen Ebene auf diese Resultate zeigte sich in Cutsky Analysen und beim Vergleichen verschiedener Vordergrundsubtraktionsverfahren innerhalb der zwei Experimente als vernachlässigbar gering. Hemisphärische Anomalien auf den größten Skalen der Hintergrundstrahlung wurden wiederholt bestätigt. Die Parametrisierung von Nicht-Gaußianität durch den fNL-Parameter zeigte sich beim Vergleich von fNL-Simulationen mit experimentellen Daten als unzureichend. In Analysen der Daten mit Hilfe von Bianchi-Modellen zeigten sich Hinweise auf eine nicht-triviale Topologie des Universums. Die Resultate meiner Arbeit deuten auf eine Verletzung des standardmäßigen Single Field Slow-Roll Modells für Inflation hin, und widersprechen den Vorhersagen von isotropen Kosmologien. Meine Studien eröffnen im Allgemeinen neue Wege zu einem besseren Verständnis von Nicht-Gauß'schen Signaturen in komplexen räumlichen Strukturen, insbesondere durch die Analyse von Korrelationen der Fourier-Phasen und deren Einfluss auf Statistiken höherer Ordnung im Ortsraum. In naher Zukunft können die Polarisationsdaten des Planck Experimentes weiteren Aufschluss über die Anomalien der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung bringen. Die Beschreibung des polarisierten Mikrowellenhintergrundes innerhalb einer Phasenanalyse wäre eine wichtige Ergänzung zu klassischen Studien.

Der Ursprung und die Entwicklung unseres Universums zeigt sich gleichermaßen in der Raumzeit selbst wie in den Strukturen, die in ihr entstehen. Galaxienhaufen sind das Ergebnis hierarchischer Strukturbildung. Sie sind die massivsten Objekte, die sich im heutigen Universum bilden konnten. Aufgrund dieser Eigenschaft ist ihre Anzahl und Struktur hochgradig abhängig von der Zusammensetzung und Evolution des Universums.

Die Messung der Anzahldichte von Galaxienhaufen beruht auf Katalogen, die nach einer beobachtbaren Größe ausgewählt werden. Die Anwendung einer Massen-Observablen-Relation (MOR) erlaubt es, die beobachtete Anzahl als Funktion der Observablen und der Rotverschiebung mit Vorhersagen zu vergleichen und so kosmologische Parameter zu bestimmen.

Man kann jedoch zu Recht behaupten, dass diese Messungen noch nicht präzise im Prozentbereich sind. Hauptgrund hierfür ist das unvollständige Verständnis der MOR. Ihre Normalisierung, die Skalierung der Observablen mit Masse und Rotverschiebung und die Größe und Korrelation von intrinsischen Streuungen muss bekannt sein, um Anzahldichten korrekt interpretieren zu können. Die Massenbestimmung von Galaxienhaufen durch die differenzielle Lichtablenkung in ihrem Gravitationsfeld, i.e. durch den so genannten schwachen Gravitationslinseneffekt (weak lensing), kann erheblich hierzu beitragen.

In dieser Arbeit werden neue Methoden und Ergebnisse solcher Untersuchungen vorgestellt. Zu ersteren gehören, als Teil der Datenaufbereitung, (i) die Korrektur von CCD-Bildern für nichtlineare Effekte durch die elektrischen Felder der angesammelten Ladungen (Kapitel 2) und (ii) eine Methode zur Maskierung von Artefakten in überlappenden Aufnahmen eines Himmelsbereichs durch Vergleich mit dem Median-Bild (Kapitel 3). Schließlich ist (iii) eine Methode zur Selektion von Hintergrundgalaxien, basierend auf deren Farbe und scheinbarer Magnitude, die eine neue Korrektur für die Kontamination durch Mitglieder des Galaxienhaufens einschließt, im Abschnitt 5.3.1 beschrieben.

Die wissenschaftlichen Hauptergebnisse sind die folgenden. (i) Für den Hubble Frontier Field-Haufen RXC J2248.7-4431 bestimmen wir Masse und Konzentration mittels weak lensing und bestätigen die durch Röntgen- und Sunyaev-Zel'dovich-Beobachtungen (SZ) vorhergesagte große Masse. Die Untersuchung von Haufengalaxien zeigt die Abhängigkeit von Morphologie und Leuchtkraft sowie Umgebung (Kapitel 4). (ii) Unsere Massenbestimmung für 12 Galaxienhaufen ist konsistent mit Röntgenmassen, die unter Annahme hydrostatischen Gleichgewichts des heißen Gases gemacht wurden. Wir bestätigen die MOR, die für die Signifikanz der Detektion mit dem South Pole Telescope bestimmt wurde. Wir finden jedoch Diskrepanzen zur Planck-SZ MOR. Unsere Vermutung ist, dass diese mit einer flacheren Steigung der MOR oder einem größen-, rotverschiebungs- oder rauschabhängigen Problem in der Signalextraktion zusammenhängt (Kapitel 5). (iii) Schließlich zeigen wir, durch die Verbindung von Simulationen und theoretischer Modellierung, dass die Variation von Dichteprofilen bei fester Masse signifikant zur Ungenauigkeit von Massenbestimmungen von Galaxienhaufen mittels weak lensing beiträgt. Ein Modell für diese Variationen, wie das hier entwickelte, ist daher wichtig für die genaue Bestimmung der MOR, wie sie für kommende Untersuchungen nötig sein wird (Kapitel 6).

A novel and interesting approach to detect microfluidic dynamics at a very small scale is given by optically trapped particles that are used as optofluidic sensors for microfluidic flows. These flows are generated by artificial as well as living microobjects, which possess their own dynamics at the nanoscale.

Optical forces acting on a small particle in a laser beam can evoke a three dimensional trapping of the particle. This phenomenon is called optical tweezing and is a consequence of the momentum transfer from incident photons to the confined object. An optically confined particle shows Brownian motion in an optical tweezer, but is prevented from long term diffusion. A careful analysis of the motion of the confined particle allows a precise detection of microfluidic flows generated by an artificial or living source in the close vicinity of the particle. Thus, the particle can be used as a sensitive optofluidic detector. For this aim, several optical tweezers at different wavelengths are integrated into a dark-field microscope, combined with a high speed camera, to achieve a precise detection of the motion of the center-of-mass of the trapped particle.

With this unique experimental system, a gold sphere is used as an optofluidic nanosensor to analyze for the first time the microfluidic oscillations generated by a biological sample. Here, a freely swimming larva of Copepods serves as the living source of flow. However, even if the trapping laser wavelength is off-resonant to the plasmon resonance of the flow detector, a finite heating of the gold nanoparticle occurs which reduces the sensitivity of detection. To increase the sensitivity of the optofluidic detection, a non-absorbing, dielectric microparticle is introduced as the optofluidic sensor for the microflows. It enables a quantitative, two dimensional mapping of the vectorial velocity field around a microscale oscillator in an aqueous environment. This paves the way for an alternative and sensitive detection approach for the microfluidic dynamics of artificial and living objects at a very small scale. To this aim and as a first step, an optically trapped microhelix serves as a model system for the mechanical and dynamical properties of a living microorganism. An optical tweezer is implemented for initiating a light-driven rotation of the chiral microobject in an aqueous environment and the optofluidic detection of its flow field is established. The method is then adopted for the measurement of the microfluidic flow generated by a biological system with similar dynamics, in this case a bacterium. The experimental approach is used to quantify the time-dependent changes of the flow generated by the flagella bundle rotation at a single cell level. This is achieved by observing the hydrodynamic interaction between a dielectric particle and a bacterium that are both trapped next to each other in a dual beam optical tweezer. This novel experimental technique allows the extraction of quantitative information on bacterial motility without the necessity of observing the bacterium directly. These findings can be of great relevance for an understanding of the response of different strains of bacteria to environmental changes and to discriminate between different states of bacterial activity.

The Plasma Facing Components (PFC) will play a crucial role in future deuterium-tritium magnetically

confined fusion power plants, since they will be subject to high energy and particle loads,

but at the same time have to ensure long lifetimes and a low tritium retention. These requirements

will most probably necessitate the use of high-Z materials such as tungsten for the wall materials,

since their erosion properties are very benign and, unlike carbon, capture only little tritium. The

drawback with high-Z materials is, that they emit strong line radiation in the core plasma, which

acts as a powerful energy loss mechanism. Thus, the concentration of these high-Z materials has to

be controlled and kept at low levels in order to achieve a burning plasma. Understanding the transport

processes in the plasma edge is essential for applying the proper impurity control mechanisms.

This control can be exerted either by enhancing the outflux, e.g. by Edge Localized Modes (ELM),

since they are known to expell impurities from the main plasma, or by reducing the influx, e.g.

minimizing the tungsten erosion or increasing the shielding effect of the Scrape Off Layer (SOL).

ASDEX Upgrade (AUG) has been successfully operating with a full tungsten wall for several years

now and offers the possibility to investigate these edge transport processes for tungsten. This study

focused on the disentanglement of the frequency of type-I ELMs and the main chamber gas injection

rate, two parameters which are usually linked in H-mode discharges. Such a separation allowed for

the first time the direct assessment of the impact of each parameter on the tungsten concentration.

The control of the ELM frequency was performed by adjusting the shape of the plasma, i.e. the

upper triangularity.

The radial tungsten transport was investigated by implementing a modulated tungsten source. To

create this modulated source, the linear dependence of the tungsten erosion rate at the Ion Cyclotron

Resonance Heating (ICRH) limiters on the injected ICRH power was used. The phase and amplitude

of the inwardly propagating tungsten signal was then observed at the erosion site and at three

radial positions in the main plasma, from which two were identified in the course of this work by a

thorough investigation of the tungsten radiation features in the Vacuum Ultra-Violet (VUV) spectral

range . The newly found observation sites are located right in the steep gradient region, close to

the Edge Transport Barrier (ETB) and slightly further inside at the pedestal top of AUG H-mode

discharges. Futhermore, the parallel flows in the SOL have been monitored by spectroscopical means

and Langmuir probes.

The experimental results were quite unexpected, since the ELM frequency had no influence on the

tungsten concentration, and the sole actuator on this quantity was the gas injection rate. The evaluation

of the modulated tungsten signal revealed that neither gas puffing nor plasma shape had an

measureable influence on the radial tungsten transport processes. In addition, the tungsten erosion

sources were only partially responsible for the observed tungsten behavior. These observations inspired

a simple model, which balanced the tungsten outflux with the tungsten influx. In this model

the impurity exauhst by ELMs is not diffusive, but turbulent and linked to the ELM size. The model

predicted a linear dependence between the tungsten concentration and the parallel velocity in the

SOL. This linear dependence was confirmed by the spectroscopical evaluation of the SOL parallel

flows.

This thesis has focused on observational studies of galaxy evolution. We combine multiwavelength data to derive various physical properties of nearby galaxies. In particular, we study the recent star formation histories (SFHs) of galaxies from their optical spectra, and the relations between molecular gas and star formation of galaxies from their radio, ultraviolet, and infrared observations.

First, we constrain the radial dependence of the recent SFHs of about 200 local galaxies with the long-slit spectroscopy data by fitting stellar population models to the combination of specific star formation rate (sSFR), 4000 Angstrom break strength and Balmer absorption lines. The late-type and early-type galaxies show distinct behaviors in their recent star formation histories. In late-type systems, bursts occur both in the inner and in the outer regions of the galaxy. The fraction of stars formed in a single burst episode is typically around 15% of the total stellar mass in the inner regions of the galaxy and around 5% of the mass in the outer regions. On the other hand, bursts occur predominantly in the outer disk in massive and bulge-dominated galaxies, and the fraction of stars formed in a single episode is only 2 - 3% of the underlying stellar mass.

One of the most fundamental questions in modern astrophysics is how galaxies convert their gas into stars, and how this process may change with the galaxy internal properties and/or across cosmic time. We study the variations in molecular gas depletion time (tdep), defined as the molecular gas mass divided by the star formation rate (SFR), and which tells us how fast the gas will be consumed under the current SFR. We establish that the main parameter dependence of tdep is upon sSFR on both local and global scales. The strong correlation between tdep and sSFR extends continuously over a factor of 10 in tdep and from log sSFR = -11.5 to -9, i.e., from nearly quiescent patches of the disc to disc regions with very strong star formation. This leads to the conclusion that the local molecular gas depletion time in galactic disks is dependent on the local fraction of young-to-old stars and that galaxies with high current-to-past-averaged star formation activity, will drain their molecular gas reservoir sooner.

We further study the impact of galaxy internal structures such as the bulge, arm, bar and ring on the variation of tdep on kiloparsec and global scales. The displacements in the main tdep-sSFR plane for different structures is linked to the variations in stellar, rather than gas surface densities: regions with high stellar surface densities such as the central bulges of galaxies have a reduced tdep at a given sSFR, while regions with low stellar surface densities such as the disk of galaxies have a longer tdep at a given sSFR. We provide our best current predictor for tdep, both globally and for 1kpc grids.