@phdthesis{Goetz2019,
  author    = {G{\"o}tz, Sebastian Reinhold},
  title     = {Nonlinear spectroscopy at the diffraction limit: probing ultrafast dynamics with shaped few-cycle laser pulses},
  doi       = {10.25972/OPUS-19213},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-192138},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2019},
  abstract  = {An experimental setup for probing ultrafast dynamics at the diffraction limit was developed, characterized and demonstrated in the scope of the thesis, aiming for optical investigations while simultaneously approaching the physical limits on the length and timescale. An overview of this experimental setup was given in Chapter 2, as well as the considerations that led to the selection of the individual components. Broadband laser pulses with a length of 9.3 fs, close to the transform limit of 7.6 fs, were focused in a NA = 1.4 immersion oil objective, to the diffraction limit of below 300 nm (FWHM). The spatial focus shape was characterized with off-resonance gold nanorod scatterers scanned through the focal volume. For further insights into the functionality and limitations of the pulse shaper, its calibration procedure was reviewed. The deviations between designed and experimental pulse shapes were attributed to pulse-shaper artifacts, including voltage-dependent inter-layer as well as intra-layer LCD-pixel crosstalk, Fabry-P{\´e}rot-type reflections in the LCD layers, and space-time coupling. A pixel-dependent correction was experimentally carried out, which can be seen as an extension of the initial calibration to all possible voltage combinations of the two LCD layers. The capabilities of the experimental setup were demonstrated in two types of experiments, targeting the nonlinearity of gold (Chapter 3) as well as two-dimensional spectroscopy at micro-structured surfaces (Chapter 4). Investigating thin films, an upper bound for the absolute value for the imaginary part of the nonlinear refractive index of gold could be set to |n′′ 2 (Au)| < 0.6·10-16 m2/W, together with |n′ 2 (Au)| < 1.2·10-16 m2/W as an upper bound for the absolute value of the real part. Finite-difference time-domain simulations on y-shaped gold nanostructures indicated that a phase change of ∆Φ ≥ 0.07 rad between two plasmonic modes would induce a sufficient change in the spatial contrast of emission to the far-field to be visible in the experiment. As the latter could not be observed, this value of ∆Φ was determined as the upper bound for the experimentally induced phase change. An upper bound of 52 GW/cm2 was found for the damage threshold. In Chapter 4, a novel method for nonlinear spectroscopy on surfaces was presented. Termed coherent two-dimensional fluorescence micro-spectroscopy, it is capable of exploring ultrafast dynamics in nanostructures and molecular systems at the diffraction limit. Two-dimensional spectra of spatially isolated hotspots in structured thin films of fluorinated zinc phthalocyanine (F16ZnPc) dye were taken with a 27-step phase-cycling scheme. Observed artifacts in the 2D maps were identified as a consequence from deviations between the desired and the experimental pulse shapes. The optimization procedures described in Chapter 2 successfully suppressed the deviations to a level where the separation from the nonlinear sample response was feasible. The experimental setup and methods developed and presented in the scope of this thesis demonstrate its flexibility and capability to study microscopic systems on surfaces. The systems exemplarily shown are consisting of metal-organic dyes and metallic nanostructures, represent samples currently under research in the growing fields of organic semiconductors and plasmonics.},
  subject      = {Ultrakurzzeitspektroskopie},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Roeding2018,
  author    = {R{\"o}ding, Sebastian},
  title     = {Coherent Multidimensional Spectroscopy in Molecular Beams and Liquids Using Incoherent Observables},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-156726},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2018},
  abstract  = {Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Umsetzung einer experimentellen Herangehensweise, welche die koh{\"a}rente zweidimensionale (2D) Spektroskopie an Proben in unterschiedlichen Aggregatzust{\"a}nden erm{\"o}glicht. Hierzu wurde zun{\"a}chst ein Aufbau f{\"u}r fl{\"u}ssige Proben realisiert, in welchem die emittierte Fluoreszenz als Messsignal zur Aufnahme der 2D Spektren genutzt wird. Im Gegensatz zu dieser bereits etablierten Methode in der fl{\"u}ssigen Phase stellt die in dieser Arbeit außerdem vorgestellte 2D Spektroskopie an gasf{\"o}rmigen Proben in einem Molekularstrahl einen neuen Ansatz dar. Hierbei werden zum ersten Mal Kationen mittels eines Flugzeitmassenspektrometers als Signal verwendet und somit ionen-spezifische 2D Spektren isolierter Molek{\"u}le erhalten. Zus{\"a}tzlich zu den experimentellen Entwicklungen wurde in dieser Arbeit ein neues Konzept zur Datenerfassung in der 2D Spektroskopie entworfen, welches mit Hilfe einer optimierten Signalabtastung und eines Compressed-Sensing Rekonstruktionsalgorithmus die Aufnahmezeit der Daten deutlich reduziert. Charakteristisch f{\"u}r die in dieser Arbeit eingesetzte Variante der 2D Spektroskopie ist die Verwendung einer phasenkoh{\"a}renten Sequenz bestehend aus vier Laserimpulsen in einer kollinearen Laserstrahlgeometrie zur Anregung der Probe. Diese Impulssequenz wurde durch einen Laserimpulsformer erzeugt, der durch {\"A}nderung der relevanten Laserimpulsparameter mit der Wiederholrate des Lasers eine schnelle Datenerfassung erm{\"o}glicht. Die Antwort der Probe auf diese Anregung wurde durch inkoh{\"a}rente Observablen gemessen, welche proportional zur Population des angeregten Zustandes sind, wie zum Beispiel Fluoreszenz oder Ionen. Um aus diesem Signal w{\"a}hrend der Datenanalyse die gew{\"u}nschten nichtlinearen Beitr{\"a}ge zu extrahieren, wurde die Messung mit verschiedenen Kombinationen der relativen Phase zwischen den Laserimpulsen wiederholt ("Phase Cycling"). Der Aufbau zur 2D Spektroskopie in fl{\"u}ssiger Phase mit Fluoreszenz-Detektion wurde an Hand von 2D Spektren des Laserfarbstoffes Cresyl Violett charakterisiert. Hierbei wurden Oszillationen in verschiedenen Bereichen des 2D Spektrums beobachtet, welche durch vibronische Koh{\"a}renzen hervorgerufen werden und mit fr{\"u}heren Beobachtungen in der Literatur {\"u}bereinstimmen. Mit dem gleichen Datensatz wurde im n{\"a}chsten Schritt das neue Konzept zur optimierten Datenerfassung demonstriert. Um ein optimiertes Schema f{\"u}r die Signalabtastung zu finden, wurde ein genetischer Algorithmus implementiert, wobei nur ein Viertel der eigentlichen Datenpunkte zur Messwerterfassung verwendet werden sollte. Dies reduziert die Zeitdauer der Datenerfassung auf ein Viertel der urspr{\"u}nglichen Messzeit. Die Rekonstruktion des vollst{\"a}ndigen Signales erfolgte mit Hilfe einer neuartigen, kompakten Darstellung von 2D Spektren basierend auf der von Neumann Basis. Diese Herangehensweise ben{\"o}tigte im Vergleich zur {\"u}blicherweise verwendeten Fourier Basis nur ein Sechstel der Koeffizienten um das Signal vollst{\"a}ndig darzustellen und erm{\"o}glichte so die erfolgreiche Rekonstruktion der Oszillationen in Cresyl Violett aus einem reduzierten Datensatz. Mit Hilfe der neuartigen koh{\"a}renten 2D Spektroskopie an Molekularstrahlen wurden {\"U}berg{\"a}nge von hoch angeregten Rydberg-Zust{\"a}nden ins ionische Kontinuum in Stickstoffdioxid untersucht. Als dominierender Beitrag stellte sich hierbei der {\"U}bergang in auto-ionisierende Zust{\"a}nde heraus. Ein wesentlicher Vorteil der Datenerfassung {\"u}ber ein Flugzeitmassenspektrometer ist die M{\"o}glichkeit der gleichzeitigen Aufnahme von 2D Spektren der Edukte und Produkte einer chemischen Reaktion. Dies wurde in Experimenten zur Mehrphotonenionisation gezeigt, in denen deutliche Unterschiede in den 2D Spektren des Stickstoffdioxid-Kations und des Stickstoffmonoxid-Fragmentes sichtbar wurden, welche auf unterschiedliche Antwortfunktionen zur{\"u}ckzuf{\"u}hren sind. Die in dieser Arbeit entwickelten experimentellen Techniken erm{\"o}glichen die schnelle Aufnahme von 2D Spektren f{\"u}r Proben in unterschiedlichen Aggregatzust{\"a}nden und erlauben einen zuverl{\"a}ssigen, direkten Vergleich der Ergebnisse. Sie sind deshalb ein Wegbereiter f{\"u}r zuk{\"u}nftige Untersuchungen der Eigenschaften quantenmechanischer Koh{\"a}renzen in photophysikalischen Prozessen oder w{\"a}hrend photochemischer Reaktionen in unterschiedlichen Aggregatzust{\"a}nden.},
  subject      = {Femtosekundenspektroskopie},
  language  = {en}
}