Simon Draeger

• In the last two decades, coherent multidimensional femtosecond spectroscopy has become a powerful and versatile tool to investigate chemical dynamics of a broad variety of quantum systems. The combination of transient information, equivalent to pumpprobe spectroscopy, with information about coupling between energetic states and the system environment allows an extensive insight into atomic and molecular properties. Many experimental 2D setups employ the coherence-detected approach, where nonlinear system responses are emitted as coherentIn the last two decades, coherent multidimensional femtosecond spectroscopy has become a powerful and versatile tool to investigate chemical dynamics of a broad variety of quantum systems. The combination of transient information, equivalent to pumpprobe spectroscopy, with information about coupling between energetic states and the system environment allows an extensive insight into atomic and molecular properties. Many experimental 2D setups employ the coherence-detected approach, where nonlinear system responses are emitted as coherent electric _elds which are detected after spatial separation from the excitation pulses. As an alternative to this experimentally demanding approach, population-based 2D spectroscopy has been established. Here, the coherent information is encoded in the phases of a collinear excitation-pulse train and extracted from incoherent signals like uorescence via phase cycling. In principle, the use of uorescence as observable can boost the sensitivity down to the single-molecule level. The aim of this work was the realization of a pulse-shaper assisted fully collinear uorescence-detected 2D setup and the conducting of proof-of-principle experiments in the liquid phase. This inherently phase-stable and compact setup has been presented in chapter 3, with the utilized pulse shaper granting amplitude and phase modulation on a shot-to-shot basis. Two di_erent types of white-light sources have been applied and evaluated with regard to their respective advantages for 2D uorescence spectroscopy. A variety of artifact sources that can occur with the present setup have been discussed, and correction schemes and instructions for avoiding these artifacts have been provided. In chapter 4, the setup has been demonstrated by employing a four-pulse sequence on cresyl violet in ethanol. A detailed data-acquisition and data-analysis procedure has been presented, where phase cycling is used for extraction of the nonlinear contributions. Depending on the phase-cycling scheme, it is possible to recover all nonlinear contributions in a single measurement. Well-known quantum-beating behavior of cresyl violet during the population time could be reproduced. Due to measuring in a rotating-frame environment and 1 kHz shot-to-shot pulse incrementation, it was possible to obtain a 2D spectrum for one population time in 6 s. Via error evaluation it has been shown that 10_ averaging (1 min) is su_cient to obtain a root-mean-square error of < 0:05 compared to 400_ averaging, proving that the utilized acquisition scheme is well suited. The realization of the _rst experimental uorescence-detected 2Q 2D experiment and the _rst experimental access to the theoretically predicted 1Q-2Q contribution…
• In den letzten zwei Jahrzehnten hat sich die kohärente mehrdimensionale Femtosekunden- Spektroskopie zu einem leistungsstarken und vielseitigen Instrument zur Untersuchung der chemischen Dynamik einer Vielzahl von Quantensystemen entwickelt. Die Kombination von transienten Informationen, die der Anrege-Abrage-Spektroskopie entsprechen, mit Informationen zur Kopplung zwischen energetischen Zuständen und der Systemumgebung ermöglicht einen umfassenden Einblick in atomare und molekulare Eigenschaften. Viele experimentelle 2D-Aufbauten verwendenIn den letzten zwei Jahrzehnten hat sich die kohärente mehrdimensionale Femtosekunden- Spektroskopie zu einem leistungsstarken und vielseitigen Instrument zur Untersuchung der chemischen Dynamik einer Vielzahl von Quantensystemen entwickelt. Die Kombination von transienten Informationen, die der Anrege-Abrage-Spektroskopie entsprechen, mit Informationen zur Kopplung zwischen energetischen Zuständen und der Systemumgebung ermöglicht einen umfassenden Einblick in atomare und molekulare Eigenschaften. Viele experimentelle 2D-Aufbauten verwenden den kohärenzdetektierten Ansatz, bei dem nichtlineare Systemantworten als kohärente elektrische Felder emittiert und räumlich getrennt von den Anregungspulsen detektiert werden. Als Alternative zu diesem experimentell anspruchsvollen Ansatz wurde die populationsbasierte 2D-Spektroskopie etabliert. Hier wird die kohärente Information in den Phasen einer kollinearen Anregungspulsfolge codiert und aus inkohärenten Signalen wie Fluoreszenz über Phase Cycling extrahiert. Grundsätzlich kann durch die Verwendung von Fluoreszenz als Observable eine Sensitivität bis zum Einzelmolekülniveau erreicht werden. Ziel dieser Arbeit war die Realisierung eines pulsformergestützten vollständig kollinearen fluoreszenzdetektierten 2D-Aufbaus und die Durchführung von Proof-of- Principle-Experimenten in der Flüssigphase. Dieser inhärent phasenstabile und kompakte Aufbau wurde in Kapitel 3 vorgestellt. Der verwendete Pulsformer ermöglicht eine Amplituden- und Phasenmodulation von Schuss zu Schuss. Zwei verschiedene Arten von Weißlichtquellen wurden angewendet und hinsichtlich ihrer jeweiligen Vorteile für die 2D-Fluoreszenzspektroskopie bewertet. Eine Vielzahl von Artefaktquellen, die mit dem vorliegenden Aufbau auftreten können, wurden diskutiert und Korrekturschemata und Anweisungen zur Vermeidung dieser Artefakte bereitgestellt. In Kapitel 4 wurde der Aufbau anhand einer Vierpulssequenz mit Cresylviolett in Ethanol demonstriert. Es wurde ein detailliertes Datenerfassungs- und Datenanalyseverfahren vorgestellt, bei dem Phase Cycling zur Extraktion der nichtlinearen Beiträge verwendet wird. Abhängig vom Phase Cycling-Schema ist es möglich, alle nichtlinearen Beiträge in einer einzigen Messung aufzudecken. Literaturbekannte Oszillationen von Cresylviolett während der Populationszeit konnten reproduziert werden. Aufgrund der Messung in einer Umgebung im Rotating Frame und einer 1 kHz Schuss-zu-Schuss Pulsinkrementierung war es möglich, ein 2D-Spektrum für eine Populationszeit in 6 s zu erhalten. Eine Fehlerevaluierung hat gezeigt, dass eine zehnfache Mittelwertbildung (1 min) ausreicht, um eine mittlere quadratische Abweichung von < 0:05 gegen� uber einer 400-fachen Mittelwertbildung zu erhalten, was beweist, dass das verwendete Messschema gut geeignet ist. Die Realisierung des ersten experimentellen fluoreszenzdetektierten 2Q-2D-Experiments und der erste experimentelle Zugang zum theoretisch vorhergesagten 1Q-2Q-Beitrag wurden in Kapitel 5 vorgestellt. Zu diesem Zweck wurde eine Dreipulssequenz auf Cresylviolett in Ethanol angewendet und die experimentellen Ergebnisse wurden mit Simulationen eines einfachen Sechs-Level-Systems verglichen. Im Gegensatz zur kohärenzdetektierten 2Q-2D-Spektroskopie sind bei dem vorgestellten Aufbau keine nichtresonanten Lösungsmittelsignale und Streuungsbeiträge sichtbar und es ist kein zusätzliches Phasing-Verfahren erforderlich. Durch eine Kombination aus Experimenten und systematischen Simulationen wurden Informationen über die Relaxation der Lösungsmittelhülle und die Korrelationsenergie gewonnen. Auf der Basis von Simulationen wurden Effekte der Pfadauslöschung diskutiert, die darauf schließen lassen, dass die 1Q-2Q-2D-Spektroskopie möglicherweise die quantitative Analyse für molekulare Systeme erleichtert, die eine starke nichtstrahlende Relaxation aus höheren elektronischen Zuständen aufweisen. Zusammenfassend ist es mit der vorgestellten Methode möglich, alle nichtlinearen Beiträge mit einer schnellen Datenaufnahme und einem einfach einzurichtenden Aufbau zu erfassen. Die gezeigten Proof-of-Principle-Experimente stellen eine Erweiterung der 2D-Spektroskopie-Werkzeugpalette dar und bieten eine fundierte Grundlage für zukünftige Anwendungen wie mehrdimensionale Spektroskopie, mehrfarbige 2D-Spektroskopie oder die Kombination von simultanen Flüssig- und Gasphasen-2D-Experimenten.…