@phdthesis{Herrmann2013,
  author    = {Herrmann, Christian},
  title     = {Robotic Motion Compensation for Applications in Radiation Oncology},
  isbn      = {978-3-923959-88-4},
  doi       = {10.25972/OPUS-6727},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-79045},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2013},
  abstract  = {Aufgrund vieler Verbesserungen der Behandlungsmethoden im Laufe der letzten 60 Jahre, erlaubt die Strahlentherapie heutzutage pr{\"a}zise Behandlungen von statischen Tumoren. Jedoch birgt die Bestrahlung von sich bewegenden Tumoren noch große Herausforderungen in sich, da bewegliche Tumore oft den Behandlungsstrahl verlassen. Dabei reduziert sich die Strahlendosis im Tumor w{\"a}hrend sich diese im umliegenden gesunden Gewebe erh{\"o}ht. Diese Forschungsarbeit zielt darauf ab, die Grenzen der Strahlentherapie zu erweitern, um pr{\"a}zise Behandlungen von beweglichen Tumoren zu erm{\"o}glichen. Der Fokus der Arbeit liegt auf der Erstellung eines Echtzeitsystems zur aktiven Kompensation von Tumorbewegungen durch robotergest{\"u}tzte Methoden. W{\"a}hrend Behandlungen befinden sich Patienten auf einer Patientenliege, mit der statische Lagerungsfehler vor Beginn einer Behandlung korrigiert werden. Die in dieser Arbeit verwendete Patientenliege "HexaPOD" ist ein paralleler Manipulator mit sechs Freiheitsgraden, der große Lasten innerhalb eines eingeschr{\"a}nkten Arbeitsbereichs pr{\"a}zise positionieren kann. Obwohl der HexaPOD urspr{\"u}nglich nicht f{\"u}r dynamische Anwendungen konzipiert wurde, wird dieser f{\"u}r eine dauerhafte Bewegungskompensation eingesetzt, in dem Patienten so bewegt werden, dass Tumore pr{\"a}zise im Zentralstrahl w{\"a}hrend der Dauer einer gesamten Behandlung verbleiben. Um ein echtzeitf{\"a}higes Kompensationssystem auf Basis des HexaPODs zu realisieren, muss eine Reihe an Herausforderungen bew{\"a}ltigt werden. Echtzeitaspekte werden einerseits durch die Verwendung eines harten Echtzeitbetriebssystems abgedeckt, andererseits durch die Messung und Sch{\"a}tzung von Latenzzeiten aller physikalischen Gr{\"o}ßen im System, z.B. Messungen der Tumor- und Atemposition. Neben der konsistenten und durchg{\"a}ngigen Ber{\"u}cksichtigung von akkuraten Zeitinformation, werden alle software-induzierten Latenzen adaptiv ausgeglichen. Dies erfordert Vorhersagen der Tumorposition in die nahe Zukunft. Zahlreiche Pr{\"a}diktoren zur Atem- und Tumorpositionsvorhersage werden vorgeschlagen und anhand verschiedenster Metriken evaluiert. Erweiterungen der Pr{\"a}diktionsalgorithmen werden eingef{\"u}hrt, die sowohl Atem- als auch Tumorpositionsinformationen fusionieren, um Vorhersagen ohne explizites Korrelationsmodell zu erm{\"o}glichen. Die Vorhersagen bestimmen den zuk{\"u}nftigen Bewegungspfad des HexaPODs, um Tumorbewegungen zu kompensieren. Dazu werden verschiedene Regler entwickelt, die eine Trajektorienverfolgung mit dem HexaPOD erm{\"o}glichen. Auf der Basis von linearer und nicht-linearer dynamischer Modellierung des HexaPODs mit Methoden der Systemidentifikation, wird zun{\"a}chst ein modellpr{\"a}diktiver Regler entwickelt. Ein zweiter Regler wird auf Basis einer Annahme {\"u}ber das Arbeitsprinzip des internen Reglers im HexaPOD entworfen. Schließlich wird ein dritter Regler vorgeschlagen, der beide vorhergehenden Regler miteinander kombiniert. F{\"u}r jeden dieser Regler werden vergleichende Ergebnisse aus Experimenten mit realer Hardware und menschlichen Versuchspersonen pr{\"a}sentiert und diskutiert. Dar{\"u}ber hinaus wird die geeignete Wahl von freien Parametern in den Reglern vorgestellt. Neben einer pr{\"a}zisen Verfolgung der Referenztrajektorie spielt der Patientenkomfort eine entscheidende Rolle f{\"u}r die Akzeptanz des Systems. Es wird gezeigt, dass die Regler glatte Trajektorien realisieren k{\"o}nnen, um zu garantieren, dass sich Patienten wohl f{\"u}hlen w{\"a}hrend ihre Tumorbewegung mit Genauigkeiten im Submillimeterbereich ausgeglichen wird. Gesamtfehler werden im Kompensationssystem analysiert, in dem diese zu Trajektorienverfolgungsfehlern und Pr{\"a}diktionsfehlern in Beziehung gesetzt werden. Durch Ausnutzung von Eigenschaften verschiedener Pr{\"a}diktoren wird gezeigt, dass die Startzeit des Systems bis die Verfolgung der Referenztrajektorie erreicht ist, wenige Sekunden betr{\"a}gt. Dies gilt insbesondere f{\"u}r den Fall eines initial ruhenden HexaPODs und ohne Vorwissen {\"u}ber Tumorbewegungen. Dies zeigt die Eignung des Systems f{\"u}r die sehr kurz fraktionierten Behandlungen von Lungentumoren. Das Tumorkompensationssystem wurde ausschließlich auf Basis von klinischer Standard-Hardware entwickelt, die in vielen Behandlungsr{\"a}umen zu finden ist. Durch ein einfaches und flexibles Design k{\"o}nnen Behandlungsr{\"a}ume in kosteneffizienter Weise um M{\"o}glichkeiten der Bewegungskompensation erg{\"a}nzt werden. Dar{\"u}ber hinaus werden aktuelle Behandlungsmethoden wie intensit{\"a}tsmodulierte Strahlentherapie oder Volumetric Modulated Arc Therapy in keiner Weise eingeschr{\"a}nkt. Aufgrund der Unterst{\"u}tzung verschiedener Kompensationsmodi kann das System auf alle beweglichen Tumore angewendet werden, unabh{\"a}ngig davon ob die Bewegungen vorhersagbar (Lungentumore) oder nicht vorhersagbar (Prostatatumore) sind. Durch Integration von geeigneten Methoden zur Tumorpositionsbestimmung kann das System auf einfache Weise zur Kompensation von anderen Tumoren erweitert werden.},
  subject      = {Robotik},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Krampert2004,
  author    = {Krampert, Gerhard},
  title     = {Femtosecond quantum control and adaptive polarization pulse shaping},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-10304},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2004},
  abstract  = {Adaptive Femtosekunden-Quantenkontrolle hat sich in den letzten Jahren als eine sehr erfolgreiche Methode in vielen wissenschaftlichen Gebieten wie Physik, Chemie oder Biologie erwiesen. Eine Vielzahl von Quantensystemen und insbesondere Molek{\"u}le, die eine chemische Reaktion durchlaufen, sind durch speziell geformte, Femtosekunden-Laserimpulse kontrolliert worden. Diese Methode erlaubt es, nicht nur das Quantensystem zu beobachten, sondern einen Schritt weiterzugehen und aktive Kontrolle {\"u}ber quantenmechanische Dynamik zu erlangen. In diesem Schema werden Interferenzph{\"a}nomene im Zeit- und Frequenzraum benutzt, um Selektivit{\"a}t zum Beispiel in einer chemischen Reaktion zu erhalten. Die dazu benutzten, speziell geformten Femtosekunden-Laserimpulse waren bislang nur linear polarisiert. Deshalb konnten sie nur die skalaren Eigenschaften der Licht - Materie - Wechselwirkung ausnutzen und haben so den vektoriellen Charakter des elektrischen Dipolmoments \$\vec{\mu}\$ und des elektrischen Lichtfeldes \$\vec{E}(t)\$ vernachl{\"a}ssigt. Im besonderen in der Quantenkontrolle von chemischen Reaktionen ist das untersuchte System, die Molek{\"u}le, dreidimensional und zeigt komplexe raumzeitliche Dynamik. Mit der Hilfe von polarisations-geformten Laserimpulsen ist man jetzt in der Lage dieser Dynamik, sowohl in der Zeit als auch in der r{\"a}umlichen Richtung zu folgen. Deshalb kann nun ein neues Niveau an Kontrolle in quanten-mechanischen Systemen erreicht werden. In dieser Arbeit konnte die Erzeugung von polarisations-geformten Laserimpulsen in einem optischen Aufbau verwirklicht werden. Dieser Aufbau erfordert keine interferometrische Stabilit{\"a}t, da beide Polarisationskomponenten demgleichen Strahlweg folgen. Zwei-Kanal spektrale Interferometrie wurde eingesetzt, um die Laserimpulse experimentell vollst{\"a}ndig zu charakterisieren. Um den zeitabh{\"a}ngigen Polarisationszustand dieser Pulse exakt zu beschreiben, wurde eine mathematische Darstellung entwickelt und angewandt. Die Ver{\"a}nderungen des Polarisationszustandes durch optische Elemente wurde untersucht und einige L{\"o}sungen wurden aufgezeigt, um diese Ver{\"a}nderungen zu minimieren. Der Jones Matrix Formalismus wurde dazu benutzt, alle Verzerrungen des Polarisationszustandes zwischen dem Impulsformer und dem Ort des Experiments zu ber{\"u}cksichtigen. Zugleich k{\"o}nnen die Jones Matrizen zu einer vollst{\"a}ndigen Charakterisierung der erzeugten Laserimpulse verwendet werden. Dabei wurden experimentell kalibrierte Matrizen eingesetzt. Adaptive Polarisations-Impulsformung konnte in einem rein optischen Demonstrationsexperiment gezeigt werden. Dabei wurde die computergesteuerte Polarisationsformung mit einer Lernschleife und einem experimentellen R{\"u}ckkopplungssignal kombiniert. Durch diesen selbstlernenden Algorithmus konnte der ben{\"o}tigte, linear polarisierte Laserimpuls mit m{\"o}glichst kleiner Impulsdauer gefunden werden, der f{\"u}r die effektive Erzeugung der zweiten Harmonischen in einem nichtlinearen optischen Kristall am besten geeignet ist. Durch diese R{\"u}ckkopplungsschleife war es m{\"o}glich auch noch kompliziertere Polarisationsverzerrungen, die durch eine Wellenplatte f{\"u}r eine falsche Wellenl{\"a}nge verursacht wurden, r{\"u}ckg{\"a}ngig zu machen. Die zus{\"a}tzliche Verformung der spektralen Phase durch Materialdispersion in einem 10~cm langen Glasblock konnte ebenfalls automatisch kompensiert werden. Nach diesen optischen Demonstrationsexperimenten wurde ultraschnelle Polarisationsformung angewandt, um ein Quantensystem zu kontrollieren. Die Polarisationsabh{\"a}ngigkeit der Multi-Photonen Ionisation von Kaliumdimeren konnte in einer Anrege-Abtast Messung nachgewiesen werden. Diese Abh{\"a}ngigkeit wurde dann in einem adaptiven Polarisationsformungsexperiment in einer sehr viel allgemeineren Art ausgenutzt. Statt nur einem Anrege- und Abtastlaserimpuls mit jeweils unterschiedlicher Polarisation zu benutzen, wurde der zeitabh{\"a}ngige Polarisationszustand eines geformtem Laserimpulses benutzt, um die Ionisation zu maximieren. Anstelle von einer nur quantitativen Verbesserung konnte eine qualitativ neue Art von Kontrolle {\"u}ber Quantensysteme demonstriert werden. Diese Polarisationskontrolle ist anwendbar selbst bei zuf{\"a}llig ausgerichteten Molek{\"u}len. Durch diese M{\"o}glichkeit, auf Ausrichtung der Molek{\"u}le zu verzichten, konnte mit einem wesentlich vereinfachten experimentellen Aufbau gearbeitet werden. {\"U}ber diese Polarisationskontrollexperimente hinaus wurden auch die dreidimensionalen Aspekte der Dynamik von Molek{\"u}len erforscht und kontrolliert. Die \textit{cis-trans} Photoisomerisierungsreaktion von 3,3\$'\$-Diethyl-2,2\$'\$-Thiacyanin Iodid (NK88) wurde in der fl{\"u}ssigen Phase mit transienter Absorptionsspektroskopie untersucht. Die Isomerisierungsausbeute konnte sowohl erh{\"o}ht als auch erniedrigt werden durch den Einsatz geformter Femtosekunden-Laserimpulse mit einer Zentralwellenl{\"a}nge von 400~nm, die sowohl in spektraler Phase als auch Amplitude moduliert waren. Dieses Experiment zeigt die M{\"o}glichkeit, die koh{\"a}rente Bewegung großer molekularer Gruppen durch Laserimpulse gezielt zu beeinflussen. Diese Modifikation der molekularen Geometrie kann als erster Schritt angesehen werden, kontrollierte Stereochemie zu verwirklichen. Insbesondere da im ersten Teil dieser Arbeit die Kontrolle von Molek{\"u}len mit Polarisations-geformten Impulsen gezeigt werden konnte, ist der Weg geebnet zu einer Umwandlung von einem chiralen Enantiomer in das andere, da theoretische Modelle dieser Umwandlung polarisations-geformte Laserimpulse ben{\"o}tigen. Außer diesen faszinierenden Anwendungen der Polarisationsformung sollte es nun m{\"o}glich sein den Wellenl{\"a}ngenbereich der polarisations-geformten Laserimpulse auszuweiten. Sowohl Erzeugung der zweiten Harmonischen um in den ultravioletten Bereich zu kommen als auch optische Gleichrichtung von {\"a}ußerst kurzen Femtosekunden-Impulsen um den mittleren infrarot Bereich abzudecken sind M{\"o}glichkeiten, den Wellenl{\"a}ngenbereich von polarisations-geformten Laserimpulsen zu erweitern. Mit diesen neuen Wellenl{\"a}ngen tut sich eine Vielzahl an neuen M{\"o}glichkeiten auf, Polarisationsformung f{\"u}r die Kontrolle von quantenmechanischen Systemen einzusetzen.},
  subject      = {Ultrakurzer Lichtimpuls},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Papastathopoulos2005,
  author    = {Papastathopoulos, Evangelos},
  title     = {Adaptive control of electronic excitation utilizing ultrafast laser pulses},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-12533},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2005},
  abstract  = {The subject of this work has been the investigation of dynamical processes that occur during and after the interaction of matter with pulses of femtosecond laser radiation. The experiments presented here were performed in the gas phase and involve one atomic and several model molecular systems. Absorption of femtosecond laser radiation by these systems induces an electronic excitation, and subsequently their ionization, photofragmentation or isomerization. The specific adjustment of the excitation laser field properties offers the possibility to manipulate the induced electronic excitation and to influence the formation of the associated photoproducts. From the perspective of the employed spectroscopic methods, the development of photoelectron spectroscopy and its implementation in laser control experiments has been of particular interest in this thesis. This technique allows for a most direct and intuitive observation of electronic excitation dynamics in atomic as well as in complex polyatomic molecular systems. The propagation of an intermediate electronic transient state, associated to the formation of a particular photoproduct, can be interrogated by means of its correlation to a specific state of the atomic or molecular continuum. Such correlations involve the autoionization of the transient state, or by means of a second probe laser field, a structural correlation, as summarized by the Koopman's theorem (section 2.4.1). The technique of adaptive femtosecond quantum control has been the subject of development in our group for many years. The basic method, by which the temporal profile of near-infrared laser pulses at a central wavelength of 800 nm, can be adjusted, is a programmable femtosecond pulse-shaper that comprises of a zero dispersion compressor and a commercial liquid crystal modulator (LCD). This experimental arrangement was realized prior to this thesis and served as a starting point to extend the pulse-shaping technique to the ultraviolet spectral region. This technological development was realized for the purposes of the experiments presented in Chapter 5. It involves a combination of the LCD-pulse-shaper with frequency up-conversion techniques on the basis of producing specifically modulated laser pulses of central wavelength 266 nm. Furthermore, the optical method X-FROG had to be developed in order to characterize the often complex structure of generated ultraviolet pulses. In the adaptive control experiments presented in this work, the generated femtosecond laser pulses could be automatically adjusted by means of specifically addressing the 128 independent voltage parameters of the programmable liquid-crystal modulator. Additionally a machine learning algorithm was employed for the cause of defining laser pulse-shapes that delivered the desired (optimal) outcome in the investigated laser interaction processes. In Chapter 4, the technique of feedback-controlled femtosecond pulse shaping was combined with time-of-flight mass spectroscopy as well as photoelectron spectroscopy in order to investigate the multiphoton double ionization of atomic calcium. A pronounced absolute enhancement of the double ionization yield was obtained with optimized femtosecond laser pulses. On the basis of the measured photoelectron spectra and of the electron optimization experiments, a non-sequential process was found, which plays an important role in the formation of doubly charged Calcium ions. Then in Chapter 5, the dynamics following the pp* excitation of ethylene-like molecules were investigated. In this context, the model molecule stilbene was studied by means of femtosecond photoelectron spectroscopy. Due to the simplicity of its chemical structure, stilebene is one of the most famous models used in experimental as well as theoretical studies of isomerization dynamics. From the time-resolved experiments described in that chapter, new spectroscopic data involving the second excited electronic state S2 of the molecule were acquired. The second ethylenic product was the molecule tetrakis (dimethylamino) ethylene (TDMAE). Due to the presence of numerous lone pair electrons on the four dimethylamino groups, TDMAE exhibits a much more complex structure than stilbene. Nevertheless, previously reported studies on the dynamics of TDMAE provided vital information for planning and conducting a successful optimisation control experiment of the wavepacket propagation upon the (pp*) S1 excited potential surface of the molecule. Finally, in Chapter 6 the possibility of employing femtosecond laser pulses as an alternative method for activating a metallocene molecular catalyst was addressed. By means of an adaptive laser control scheme, an optimization experiment was realized. There, the target was the selective cleavage of one methyl-ligand of the model catalyst (Cp)^2Zr(CH3)^2, which induces a catalytic coordination position on the molecule. The spectroscopic studies presented in that chapter were performed in collaboration to the company BASF A.G. and constitute a proof-of principle attempt for a commercial application of the adaptive femtosecond quantum control technique.},
  subject      = {Ultrakurzer Lichtimpuls},
  language  = {en}
}