TY  - THES
A1  - Kramer, Christian
T1  - Investigation of Nanostructure-Induced Localized Light Phenomena Using Ultrafast Laser Spectroscopy
T1  - Untersuchung von nanostruktur-induzierten Lichtphänomenen mit Hilfe von Ultrakurzzeit-Laserspektroskopie
N2  - In recent years, the interaction of light with subwavelength structures, i.e., structures that are smaller than the optical wavelength, became more and more interesting to scientific research, since it provides the opportunity to manipulate light-induced dynamics below the optical diffraction limit. Specifically designed nanomaterials can be utilized to tailor the temporal evolution of electromagnetic fields at the nanoscale. For the investigation of strongly localized processes, it is essential to resolve both their spatial and their temporal behavior. The aim of this thesis was to study and/or control the temporal evolution of three nanostructure-induced localized light phenomena by using ultrafast laser spectroscopy with high spatial resolution.

In Chapter 4, the absorption of near-infrared light in thin-film a-Si:H solar cells was investigated. Using nanotextured instead of smooth interfaces for such devices leads to an increase of absorption from < 20% to more than 50% in the near-infrared regime. Time-resolved experiments with femtosecond laser pulses were performed to clarify the reason for this enhancement. The coherent backscattered radiation from nanotextured solar cell devices was measured as a function of the sample position and evaluated via spectral interferometry. Spatially varying resonance peaks in the recorded spectra indicated the formation of localized photonic modes within the nanotextured absorber layers. In order to identify the modes separately from each other, coherent two-dimensional (2D) nanoscopy was utilized, providing a high spatial resolution < 40 nm. In a nanoscopy measurement on a modified device with an exposed nanotextured a-Si:H absorber layer,  hot-spot electron emission was observed and confirmed the presence of localized modes. Fitting the local 2D nanospectra at the hot-spot positions enabled the determination of the resonance frequencies and coherence lifetimes of the modes. The obtained lifetime values varied between 50 fs and 130 fs. Using a thermionic emission model allowed the calculation of the locally absorbed energy density and, with this, an estimation of the localization length of the photonic modes (≈1 μm). The localization could be classified by means of the estimated localization length and additional data evaluation of the backscattered spectra as strong localization ─ the so-called Anderson localization. 
Based on the experimental results, it was concluded that the enhanced absorption of near-infrared light in thin-film silicon solar cells with nanotextured interfaces is caused by the formation of strongly localized photonic modes within the disordered absorber layers. The incoming near-infrared light is trapped in these long-living modes until absorption occurs.

In Chapter 5, a novel hybridized plasmonic device was introduced and investigated in both theory and experiment. It consists of two widely separated whispering gallery mode (WGM) nanoantennas located in an elliptical plasmonic cavity. The goal was to realize a periodic long-range energy transfer between the nanoantennas. In finite-difference time-domain (FDTD) simulations, the device was first optimized with respect to strong coupling between the localized antenna modes and the spatially-extended cavity mode. The geometrical parameters of the antennas and the cavity were adjusted separately so that the m="0"  antenna mode and the cavity mode were resonant at λ="800 nm" . A high spatial overlap of the modes was achieved by positioning the two antennas in the focal spots of the cavity, leading to a distance between the antenna centers of more than twice the resonant wavelength of the modes. The spectral response of the optimized device revealed an energy splitting of the antenna and the cavity mode into three separated hybridized eigenmodes within an energy range of about 90 meV due to strong coupling. It could be well reproduced by a simple model of three coupled Lorentzian oscillators. In the time domain, an oscillatory energy transfer between both antennas with a period of 86 fs and an energy transfer efficiency of about 7% was observed for single-pulse excitation. For the experiments, devices with cavities and antennas of varying size were fabricated by means of focused-ion-beam (FIB) milling. Time-resolved correlation measurements were performed with high spatial and temporal resolution by using sequences of two femtosecond laser pulses for excitation and photoemission electron microscopy (PEEM) for detection. Local correlation traces at antennas in resonant devices, i.e., devices with enhanced electron emission at both antenna positions, were investigated and reconstructed by means of the coupled-oscillator model. The corresponding spectral response revealed separated peaks, confirming the formation of hybridized eigenmodes due to strong coupling. In a subsequent simulation for single-pulse excitation, one back-and-forth energy transfer between both antennas with an energy transfer efficiency of about 10% was observed.
Based on the theoretical and experimental results, it was demonstrated that in the presented plasmonic device a periodic long-range energy transfer between the two nanoantennas is possible. Furthermore, the coupled-oscillator model enables one to study in depth how specific device properties impact the temporal electric-field dynamics within the device. This can be exploited to further optimize energy transfer efficiency of the device. Future applications are envisioned in ultrafast plasmonic nanocircuitry. Moreover, the presented device can be employed to realize efficient SPP-mediated strong coupling between widely separated quantum emitters.

In Chapter 6, it was investigated in theory how the local optical chirality enhancement in the near field of plasmonic nanostructures can be optimized by tuning the far-field polarization of the incident light. An analytic expression was derived that enables the calculation of the optimal far-field polarizations, i.e., the two far-field polarizations which lead to the highest positive and negative local optical chirality, for any given nanostructure geometry. The two optimal far-field polarizations depend on the local optical response of the respective nanostructure and thus are functions of both the frequency ω and the position r. Their ellipticities differ only in their sign, i.e., in their direction of rotation in the time domain, and the angle between their orientations, i.e., the angle between the principal axes of their ellipses, is ±π/"2" . The handedness of optimal local optical chirality can be switched by switching between the optimal far-field polarizations. In numerical simulations, it was exemplarily shown for two specific nanostructure assemblies that the optimal local optical chirality can significantly exceed the optical chirality values of circularly polarized light in free space ─ the highest possible values in free space. The corresponding optimal far-field polarizations were different from linear and circular and varied with frequency. Using femtosecond polarization pulse shaping provides the opportunity to coherently control local optical chirality over a continuous frequency range. Furthermore, symmetry properties of nanostructures can be exploited to determine which far-field polarization is optimal.
The theoretical findings can have impact on future experimental studies about local optical chirality enhancement. Tuning the far-field polarization of the incident light offers a promising tool to enhance chirally specific interactions of local electromagnetic fields with molecular and other quantum systems in the vicinity of plasmonic nanostructures. The presented approach can be utilized for applications in chiral sensing of adsorbed molecules, time-resolved chirality-sensitive spectroscopy, and chiral quantum control.

In conclusion, each of the localized light phenomena that were investigated in this thesis ─ the enhanced local absorption of near-infrared light due to the formation of localized photonic modes, the periodic long-range energy transfer between two nanoantennas within an elliptical plasmonic cavity, and the optimization of local optical chirality enhancement by tuning the far-field polarization of the incident light ─ can open up new perspectives for a variety of future applications.
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N2  - In den vergangenen Jahren rückte die Wechselwirkung von Licht mit Strukturen, deren Größe kleiner als die optische Wellenlänge ist, immer mehr in den Fokus der wissenschaftlichen Forschung, da sie die Möglichkeit bietet, lichtinduzierte Dynamiken unterhalb des optischen Beugungslimits zu manipulieren. Speziell hergestellte Nanomaterialien können verwendet werden, um die zeitliche Entwicklung von elektromagnetischen Feldern auf der Nanoskala zu steuern. Für die Untersuchung von stark lokalisierten Prozessen ist es essentiell, sowohl ihr räumliches als auch ihr zeitliches Verhalten aufzulösen.
Das Ziel dieser Dissertation war es, die zeitliche Entwicklung von drei lokalisierten Lichtphänomenen, hervorgerufen durch drei unterschiedliche nanostrukturierte Materialien, mit Hilfe von Ultrakurzzeit-spektroskopie unter hoher räumlicher Auflösung zu untersuchen und/oder zu kontrollieren.

In Kapitel 4 dieser Arbeit wurde die Absorption von Nahinfrarotlicht in a-Si:H Dünnschicht-Solarzellen untersucht. Durch die Verwendung von nanotexturierten statt glatten Grenzschichten erreicht man bei solchen Solarzellen einen Anstieg der Absorption von < 20% auf über 50% im Nahinfrarotbereich.
Um der Ursache dieser Verstärkung auf den Grund zu gehen, wurden zeitaufgelöste Experimente mit Femtosekundenlaserpulsen durchgeführt. Zunächst wurde die kohärente zurückgestreute Strahlung von nanotexturierten Solarzellen in Abhängigkeit der Probenposition gemessen und mit Hilfe von spektraler Interferometrie ausgewertet. Räumlich variierende Resonanzpeaks in den aufgenommenen Spektren deuteten auf die Bildung von lokalisierten photonischen Moden innerhalb der nanotexturierten Absorberschichten hin. Um die Moden räumlich getrennt voneinander identifizieren zu können, wurde anschließend die Methode der kohärenten zweidimensionalen (2D) Nanoskopie angewandt, die eine hohe räumliche Auflösung < 40 nm ermöglichte. In einer Nanoskopie-Messung an einer modifizierten Solarzellen-Probe mit einer freiliegenden nanotexturierten a-Si:H Absorberschicht wurde eine Elektronenemission beobachtet, die von räumlich begrenzten Hot Spots dominiert war und das Vorhandensein von lokalisierten Moden bestätigte. Über das Fitten der lokalen 2D Nanospektren an den Positionen der Hot Spots wurden die Resonanzfrequenzen und die Kohärenzlebenszeiten der Moden bestimmt. Die ermittelten Werte für die Lebenszeiten lagen zwischen 50 fs und 130 fs. Mit Hilfe eines Modells für thermionische Elektronenemission konnte die lokal absorbierte Energiedichte bestimmt und damit die Lokalisierungslänge der photonischen Moden auf etwa 1 μm abgeschätzt werden. Zudem konnte die Lokalisierung über die abgeschätzte Lokalisierungslänge und eine zusätzliche Datenauswertung der zurückgestreuten Spektren als starke Lokalisierung, die sogenannte Anderson-Lokalisierung, klassifiziert werden. Auf der Basis der experimentellen Ergebnisse wurde daher geschlussfolgert, dass die verstärkte Absorption von Nahinfrarotlicht in Silizium-Dünnschicht-Solarzellen mit nanotexturierten Grenzschichten durch die Bildung von stark lokalisierten photonischen Moden innerhalb der ungeordneten Absorberschichten verursacht wird. Das einfallende Nahinfrarotlicht wird in diesen langlebigen Moden gefangen, bis es schließlich irgendwann absorbiert wird.

In Kaptiel 5 wurde eine neuartige plasmonische Struktur vorgestellt und sowohl in der Theorie als auch experimentell untersucht. Die Struktur besteht aus einer elliptischen Kavität, in der sich zwei räumlich getrennte whispering gallery mode (WGM) Nanoantennen befinden. Das Ziel war es nun, einen periodischen langreichweitigen Energietransfer zwischen beiden Nanoantennen zu realisieren. Zuerst wurde die Struktur mit Hilfe von finite-difference time-domain (FDTD) Simulationen darauf optimiert, eine starke Kopplung zwischen den lokalisierten Antennenmoden und der räumlich ausgedehnten Kavitätsmode zu erreichen. Die geometrischen Parameter der Antennen und der Kavität wurden getrennt voneinander so eingestellt, dass sowohl die m="0"  Antennenmode als auch die Kavitätsmode bei λ="800 nm"  resonant waren. Ein hoher räumlicher Modenüberlapp wurde dadurch erzielt, dass die beiden Antennen jeweils in die Brennpunkte der elliptischen Kavität positioniert wurden. Die daraus resultierende Distanz zwischen den Antennenzentren war dadurch mehr als doppelt so hoch wie die Resonanzwellenlänge der Moden. Aufgrund starker Kopplung war in der spektralen Antwort der optimierten Struktur eine Energieaufspaltung der Antennen- und der Kavitätsmode in drei getrennte hybridisierte Eigenmoden innerhalb eines Energiebereichs von ca. 90 meV zu sehen. Die Antwortfunktionen konnten sehr gut mit Hilfe eines einfachen Modells aus drei gekoppelten Lorentz-Oszillatoren reproduziert werden. Im Zeitraum wurde für eine Einfach-Puls-Anregung der Struktur ein ozillatorischer Antennen-Energietransfer mit einer Periode von 86 fs und einer Energietransfer-Effizienz von ungefähr 7% beobachtet. Für die Experimente wurden Strukturen mit Kavitäten und Antennen unterschiedlicher Größe über focused-ion-beam (FIB) milling hergestellt. Es wurden zeitaufgelöste Korrelationsmessungen durchgeführt, wobei zwei Femtosekundenlaserpulse zur Anregung und Photoemissionselektronen-Mikroskopie (PEEM) für die Detektion verwendet wurden. Dies ermöglichte sowohl eine hohe zeitliche als auch eine hohe räumliche Auflösung. In den Messungen wurden lokale Korrelationssignale an Antennen in resonanten Strukturen, sprich, Strukturen mit deutlich erhöhter Photoemission an beiden Antennenpositionen, untersucht und mit Hilfe des gekoppelten Lorentz-Oszillatormodells rekonstruiert. Die daraus ermittelte spektrale Antwort zeigte getrennte Peaks und bestätigte damit die Bildung hybridisierter Eigenmoden aufgrund starker Kopplung. In einer nachfolgenden Simulation für Einfach-Puls-Anregung wurde ein einmaliger Hin-und-Her-Energietransfer zwischen den Antennen mit einer Energietransfereffizienz von ca. 10% beobachtet.
Ausgehend von den theoretischen und experimentellen Ergebnissen wurde gezeigt, dass in der hier vorgestellten Struktur ein periodischer langreichweitiger Energietransfer zwischen den zwei Nanoantennen möglich ist. Zudem ermöglicht es das gekoppelte Oszillatoren-Modell, im Detail zu untersuchen, wie spezifische Eigenschaften der Struktur die Dynamik des zeitlichen elektrischen Feldes bzw. der Energieumverteilung innerhalb der Struktur beeinflussen. Dies kann dazu genutzt werden, die Energietransfer-Effizienz der Struktur noch weiter zu optimieren. Zukünftige Anwendungsmöglichkeiten finden sich im Bereich der ultraschnellen plasmonischen Nanoschaltkreise. Darüberhinaus kann die Struktur genutzt werden, um eine effiziente SPP-vermittelte starke Kopplung zwischen weit voneinder entfernten Quantenemittern zu erreichen.

In Kapitel 6 wurde untersucht, wie die lokale Verstärkung der optischen Chiralität im Nahfeld plasmonischer Nanostrukturen durch das Einstellen der Fernfeld-Polarisation des einfallenden Lichts optimiert werden kann. Zu diesem Zweck wurde ein analytischer Ausdruck hergeleitet, welcher die Berechnung der optimalen Fernfeld-Polarisationen für jede beliebige Nanostruktur-Geometrie ermöglicht. Dabei versteht man unter den optimalen Fernfeld-Polarisationen diejenigen zwei, welche zur höchsten positiven und negativen lokalen optischen Chiralität führen. Da diese von der lokalen optischen Antwort der jeweiligen Nanostruktur abhängig sind, lassen sie sich sowohl als Funktion der Frequenz ω als auch als Funktion der Position r beschreiben. Die Elliptizitäten der beiden optimalen Fernfeld-Polarisationen unterscheiden sich nur in ihrem Vorzeichen, also ihrer Rotationsrichtung im Zeitraum, und der Winkel zwischen ihren Orientierungen (entspricht dem Winkel zwischen den Hauptachsen ihrer Ellipsen) beträgt ±π/"2" . Die Händigkeit der optimalen lokalen optischen Chiralität kann über das Schalten zwischen den optimalen Fernfeld-Polarisationen hin und her gewechselt werden. Mit Hilfe von numerischen Simulationen wurde für zwei konkrete Nanostrukturen beispielhaft demonstriert, dass für die lokale optische Chiralität Werte erreicht werden können, die deutlich höher sind als die optischen Chiralitätswerte von zirkular polarisiertem Licht im freien Raum ─ die höchstmöglichen Werte für optische Chiralität im freien Raum. Die entsprechenden optimalen Fernfeld-Polarisationen haben sich dabei von linearer und zirkularer Polarisation unterschieden und variierten mit der Frequenz. Die Anwendung von Femtosekunden-Polarisationspulsformung bietet die Möglichkeit, die lokale optische Chiralität kohärent über einen kontinuierlichen Frequenzbereich zu kontrollieren. Außerdem können Symmetrieeigenschaften der Nanostrukturen genutzt werden, um zu bestimmen, welche Fernfeld-Polarisation optimal ist.
Die theoretischen Erkenntnisse können zukünftige experimentelle Studien über die lokale Verstärkung der optischen Chiralität beeinflussen. Das Einstellen der Fernfeld-Polarisation des einfallenden Lichts stellt ein vielversprechendes Hilfsmittel dar, um chiral-spezifische Wechselwirkungen von lokalen elektromagnetischen Feldern mit molekularen und anderen Quantensystemen in der Nähe plasmonischer Nanostrukturen zu verstärken. Die hier gezeigte Methode kann Anwendung finden in der chiralen Erkennung adsorbierter Moleküle, in der zeitaufgelösten chiral-sensitiven Spektroskopie und in der chiralen Quantenkontrolle.

Abschließend lässt sich festhalten, dass jedes der lokalisierten Lichtphänomene, die in dieser Arbeit untersucht wurden ─ die verstärkte lokale Absorption von Nahinfrarotlicht aufgrund der Bildung von lokalisierten photonischen Moden, der periodische langreichweitige Energietransfer zwischen zwei Nanoantennen in einer plasmonischen elliptischen Kavität und die Optimierung der lokalen Verstärkung der optischen Chiralität über das Einstellen der Fernfeld-Polarisation des einfallenden Lichts ─ neue Perspektiven eröffnen kann für eine Vielzahl von zukünftigen Anwendungsmöglichkeiten.
KW  - Ultrakurzzeitspektroskopie
KW  - Kohärente Optik
KW  - Chiralität <Chemie>
KW  - Nahfeldoptik
KW  - Ultrakurzzeitspektroskopie
KW  - Nahfeldoptik
KW  - Kohärente 2D Spektroskopie
KW  - Oberflächenplasmonresonanz
KW  - Zirkulardichroismus Spektroskopie
KW  - Ultrafast spectroscopy
KW  - Nano-optics
KW  - Coherent 2D spectroscopy
KW  - Surface plasmons
KW  - Circular dichroism spectroscopy
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-150681
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hartleb, Holger Edgar Heinz Erich
T1  - Spektroelektrochemische Untersuchung von halbleitenden Kohlenstoffnanoröhren
T1  - Spectroelectrochemical investigation of semiconducting carbon nanotubes
N2  - Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der spektroelektrochemischen Untersuchung von halbleitenden SWNTs. Hierbei wurden erstmalig Absorptions- und Photolumineszenzspektren ein und derselben SWNT-Probe simultan unter elektrochemischer Potentialkontrolle aufgenommen. Hierbei konnte gezeigt werden, dass die Messmethode einen entscheidenden Einfluss auf die erhaltene Bandlücke besitzt und der in der Literatur geprägte Begriff der Elektrochemischen Bandlücke aufgrund einer fehlenden allgemeingültigen Definition problembehaftet ist. So ergeben Photolumineszenzmessungen im Vergleich zu Raman- oder Absorptionsmessungen die kleinste Bandlücke. Dies wurde auf die diffusionskontrollierte Löschung der Exzitonen an Ladungszentren zurückgeführt. Weiterhin wurden die optischen Spektren von SWNTs unter Ladungseinfluss analysiert und die zugrundeliegenden Änderungen der elektronischen Eigenschaften diskutiert.
Neben SWNTs wurden die Übergangsmetalldichalkogenide MoS2 und WS2 spektroelektrochemisch untersucht. Auffallend im Vergleich zu den Messungen an SWNTs war der breite Potentialbereich, über den die Abnahme der exzitonischen Signale zu beobachten war. Dies kann auf die unterschiedliche elektronische Struktur von TMDs und SWNTs und den geringen Anteil von Einzellagen in den TMD-Proben zurückgeführt werden. Weiterhin konnte in den Absorptionsspektren unter Ladungseinfluss ein Signal beobachtet werden, welches auf die Entstehung von Trionen hindeutet.
In einem weiteren Teilprojekt wurde eine elektrochemische Zelle zur Untersuchung von metallischen SWNT-Filmen als Elektrode für die Wasserstoffproduktion entwickelt und getestet. Hierbei gelang es die von Das et al. publizierte Aktivierung von SWNTs mit Schwefelsäure erfolgreich nachzuvollziehen und einen katalytischen Effekt der SWNTs auf die Wasserstoffentwicklung zu beobachten.
N2  - The main focus of this work was on spectroelectrochemical studies of semiconducting SWNTs. For the first time, absorption and photoluminescence spectra of one and the same sample were recorded simultaneous under electrochemical control of the potential. It was shown, that the optical method has a significant influence on the resulting band gap. Therefore, the term electrochemical band gap, which has developed in literature, is problematic due to a missing general definition. Photoluminescence measurements yield the smallest band gap in comparison to Raman or absorption measurements. This was attributed to the diffusion limited quenching of excitons at charges. Furthermore, the optical spectra of charged SWNTs were analysed and the underlying electronic changes were discussed. 
In addition to SWNTs, the transition metal dichalcogenides MoS2 and WS2 were studied with spectroelectrochemical methods as well. Striking, when compared to the measurements of SWNTs, was the broad potential range during which the decrease of the excitonic signals could be observed. This can be attributed to the different electronic structures of TMDs and SWNTs and the small amount of mono layers in the TMD samples. Under the influence of charges it was furthermore possible to observe a signal in the absorption spectra, which points to the formation of trions.
In the last part of this work an electrochemical cell for the investigation of hydrogen production at metallic SWNT electrodes was developed and tested. The activation procedure of SWNTs with sulphuric acid, which was published by Das et al., was successfully reproduced, and a catalytic effect on the hydrogen production by the SWNTs was observed.
KW  - Kohlenstoff-Nanoröhre
KW  - Photolumineszenzspektroskopie
KW  - Absorptionsspektroskopie
KW  - Spektroelektrochemie
KW  - Übergangsmetalldichalkogenide
KW  - Elektrolyse
KW  - elektrochemische Bandlücke
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-116628
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bolze, Tom
T1  - Photodynamics of a fluorescent tetrazolium salt and shaping of femtosecond Laguerre-Gaussian laser modes in time and space
T1  - Photodynamik eines fluoreszierenden Tetrazoliumsalzes und Formung von Femtosekunden Laguerre-Gauss Lasermoden in Raum und Zeit
N2  - This thesis will outline studies performed on the fluorescence dynamics of phenyl-benzo-
[c]-tetrazolo-cinnolium chloride (PTC) in alcoholic solutions with varying viscosity using
time-resolved fluoro-spectroscopic methods. Furthermore, the properties of femtosecond
Laguerre-Gaussian (LG) laser pulses will be investigated with respect to their temporal
and spatial features and an approach will be developed to measure and control the spatial
intensity distribution on the time scale of the pulse.
Tetrazolium salts are widely used in biological assays for their low oxidation and reduction
thresholds and spectroscopic properties. However, a neglected feature in these applications
is the advantage that detection of emitted light has over the determination of the
absorbance. To corroborate this, PTC as one of the few known fluorescent tetrazolium
salts was investigated with regard to its luminescent features. Steady-state spectroscopy
revealed how PTC can be formed by a photoreaction from 2,3,5-triphenyl-tetrazolium
chloride (TTC) and how the fluorescence quantum yield behaved in alcoholic solvents
with different viscosity. In the same array of solvents time correlated single photon counting
(TCSPC) measurements were performed and the fluorescence decay was investigated.
Global analysis of the results revealed different dynamics in the different solvents, but
although the main emission constant did change with the solvent, taking the fluorescence
quantum yield into consideration resulted in an independence of the radiative rate from
the solvent. The non-radiative rate, however, was highly solvent dependent and responsible
for the observed solvent-related changes in the fluorescence dynamics. Further studies
with the increased time resolution of femtosecond fluorescence upconversion revealed an
independence of the main emission constant from the excitation energy, however the dynamics
of the cooling processes prior to emission were prolonged for higher excitation
energy. This led to a conceivable photoreaction scheme with one emissive state with a
competing non-radiative relaxation channel, that may involve an intermediate state.
LG laser beams and their properties have seen a lot of scientific attention over the past two
decades. Also in the context of new techniques pushing the limit of technology further to
explore new phenomena, it is essential to understand the features of this beam class and
check the consistency of the findings with theoretical knowledge. The mode conversion
of a Hermite-Gaussian (HG) mode into a LG mode with the help of a spiral phase plate
(SPP) was investigated with respect to its space-time characteristics. It was found that
femtosecond LG and HG pulses of a given temporal duration share the same spectrum
and can be characterized using the same well-established methods. The mode conversion
proved to only produce the desired LG mode with its characteristic orbital angular momentum
(OAM), that is conserved after frequency doubling the pulse. Furthermore, it
was demonstrated that temporal shaping of the HG pulse does not alter the result of its
mode-conversion, as three completely different temporal pulse shapes produced the same
LG mode. Further attention was given to the sum frequency generation of fs LG beams
and dynamics of the interference of a HG and a LG pulse. It was found that if both are
chirped with inverse signs the spatial intensity distribution does rotate around the beam
axis on the time scale of the pulse. A strategy was found that would enable a measurement
of these dynamics by upconversion of the interference with a third gate pulse. The results
of which are discussed theoretically and an approach of an experimental realization had
been made. The simulated findings had only been reproduced to a limited extend due to
experimental limitations, especially the interferometric stability of the setup.
N2  - Die vorliegende Arbeit wird eine Übersicht über die durchgeführten Studien, die die Fluoreszenzdynamiken
von Phenyl-Beno-[c]-Tetrazolo-Cinnolinum Chlorid (PTC) in alkoholischen
Lösungsmitteln verschiedener Viskosität mit Hilfe von zeitaufgelöster Fluoreszenzspektroskopie
untersuchen, liefern. Des weiteren werden die Eigenschaften von Laserpulsen
mit Laguerre-Gauss (LG) strahlprofilen in Hinblick auf ihre räumlichen und zeitlichen
Charakteristika beleuchtet und ein Ansatz entwickelt, die räumliche Intensitätsverteilung
zu messen und auf der Zeitskala der Pulse zu kontrollieren.
Tetrazoliumsalze sind aufgrund ihrer niedrigen Oxidations- und Reduktionspotentiale und
ihrere spektroskopischen Eigenschaften weit verbreitet in biologischen Assays. Allerdings
wird in diesen Anwendungen der Vorteil, den Messungen der Lichtesmission gegenüber
der Lichtabsorption haben, vernachlässigt. Um das zu ergründen wurde PTC, als eines
der wenigen bekannten Tetrazoliumsalze welches fluoresziert, im Hinblick auf seine lichtemittierenden
Eigenschaften untersucht. Statische Spektroskopie wies nach, wie PTC
aus einer Photoreaktion aus 2,3,5-Triphenyl-Tetrazoliumchlorid (TTC) erzeugt werden
konnte und wie sich die Fluoreszenzquantenausbeute in alkoholischen Lösungsmitteln mit
unterschiedlicher Viskosität verhält. In den gleichen Lösungsmitteln wurden zeitkorreliertes
Einzelphotonen Zählen (TCSPC) durchgeführt und der Fluoreszenzzerfall untersucht.
Die globale Analyse der Ergebnisse hat gezeigt, das die Dynamiken sich in den verschiedenen
Lösungsmitteln unterscheiden, die Konstante, welche die Hauptemission beschreibt,
sich in den unterschiedlichen Lösungsmitteln zwar verändert, aber wenn die Fluoreszenzquantenausbeute
auch berücksichtigt wird, zu Raten der Lichtemission führte, die unabhängig vom Lösungsmittel sind. Die nichststrahlende Rate allerdings hängt stark vom
Lösungsmittel ab und ist auch verantwortlich für die unterschiedlichen Dynamiken in den
verschiedenen Lösungen. Weitere Studien, die mit der höheren zeitlichen Auflösung der
Fluoreszenzaufkonversionsmethode durchgeführt wurden, ergaben, dass die Hauptfluoreszenz
unabhängig von der Anregungsenergie ist, aber die Relaxationsprozesse, welche vor
der Lichtaussendung stattfinden, mit höherer Anregungsenergie länger dauern. Die Ergebnisse
mündeten in ein denkbares Photoreaktionsschema, das durch einen strahlenden
Zustand gekennzeichnet ist und einen konkurrierenden nichtstrahlenden Zerfallspfad besitzt,
welcher einen kurzlebigen Zwischenzustand besitzen könnte.
Laguerre-Gauss Laserstrahlen und ihre Eigensachften haben in den letzten zwei Jahrzehnten
viel wissenschaftliche Aufmerksamkeit erhalten. Auch im Hinblick auf neue Methoden,
die die technologische Machbarkeitsgrenze verschieben, um neue Phänomene zu
erforschen, ist es notwendig, das Verständnis über diese Strahlklasse zu erweitern und die
Konsistenz der Resultate mit dem theoretischen Wissen abzugleichen und in Einklang zu
bringen. Die Konversion einer Hermite-Gauss (HG) Mode in eine LG Mode, mit Hilfe
einer spiralen Phasenplatte (SPP), wurde im Hinblick auf ihre räumlich-zeitlichen Charakteristika
untersucht. Es wurde herausgefunden, dass Femtosekunden HG und LG Pulse
einer bestimmten zeitlichen Dauer das gleiche Spektrum besitzen und durch die gleichen
etablierten Methoden charakterisiert werden können. Es stellte sich heraus, dass die Modenkonversion
nur die gewünschte LG Mode mit ihrem charakeristischen orbitalen Drehimpuls
(OAM), der bei Frequenzverdopplung erhalten bleibt, erzeugt. Außerdem wurde
demonstriert, dass ein zeitlich geformter Femtosekunden HG Puls nicht das Resultat der
Modenkonversion beeinflusst, da zeitlich völlig verschieden strukturierte Pulse die gleiche
LG Mode erzeugen. Des weiteren wurde die Summenfrequenz von fs LG Strahlen und die
Dynamik der Interferenz eines HG und eines LG Pulses beleuchtet. Es wurde gefunden,
dass wenn beide entgegengesetzt gechirpt sind, die räumliche Intensitätsverteilung auf
der Zeitskala der Pulse um die Strahlachse rotiert. Theoretisch wurde ein Vorgehen entwickelt,
das eine Messung dieser Dynamik, durch die Aufkonversion der Interferenz mit
einem dritten Gate-Puls, ermöglicht. Die Ergebnisse dieser Methode wurden auf theoretischer
Ebende diskutiert und ein Versuch einer experimentellen Realisierung wurde
unternommen. Allerdings konnten die gemessenen Resultate, aufgrund experimenteller
Limitierungen insbesondere der interferometrischen Stabilität, die theoretischen Erwartungen
nur bedingt demonstrieren.
KW  - Tetrazoliumsalze
KW  - Fluoreszenz
KW  - Femtosekundenlaser
KW  - Zeitauflösung
KW  - Impulsformung
KW  - Lasermode
KW  - Laguerre-Gauss
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-160902
ER  - 
TY  - THES
A1  - Götz, Sebastian Reinhold
T1  - Nonlinear spectroscopy at the diffraction limit: probing ultrafast dynamics with shaped few-cycle laser pulses
T1  - Nichtlineare Spektroskopie am Beugungslimit: Untersuchung ultraschneller Dynamiken mit geformten Laserpulsen
N2  - 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-Pérot-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.
N2  - Ein experimenteller Aufbau zur Untersuchung von ultraschnellen Dynamiken am Beugungslimit wurde in dieser Arbeit entwickelt, charakterisiert und demonstriert. Sie hatte zum Ziel, im Rahmen von optischen Beobachtungen gleichzeitig an die physikalischen Grenzen von Längen- und Zeitskalen zu gehen
Es wurde ein Überblick über den verwendeten experimentellen Aufbau gegeben, zusammen mit den Überlegungen, die zur Auswahl der einzelnen Komponenten geführt haben. Für die Pulslänge der spektral breitbandigen Laserpulse wurde auf 9.3 fs gemessen, was nahe an der transformlimitierten Dauer von 7.6 fs liegt. Im beugungslimitierten Fokus eines Immersionsölobjektivs mit einer numerischen Apertur von 1.4 konnte das Licht räumlich auf eine Halbwertsbreite von unter 300 nm komprimiert werden.
Der Fokus des Mikroskopobjektivs wurde mit Hilfe der Streuung von nicht resonanten Nanopartikeln aus Gold ausgemessen, indem diese räumlich durch den Fokus gerastert wurden. Zur weiteren Untersuchung des Funktionsumfangs und der Grenzen des benutzten Pulsformers wurde dessen Eichprozedur geprüft. Die Abweichungen zwischen gewünschten und tatsächlich angelegten Pulsformen wurden auf Artefakte des Pulsformers zurückgeführt. Diese Artefakte beinhalten eine spannungsabhängige Beeinflussung der LCD-Pixel sowohl zwischen benachbarten Pixeln einer Schicht als auch zwischen Pixeln unterschiedlicher Schichten. Eine pixelabhängige Korrektur wurde implementiert, die eine Erweiterung der ursprünglichen Kalibrierung auf alle möglichen Spannungskombinationen der LCD-Pixel darstellt.
Die Möglichkeiten experimentellen Aufbaus wurden mit zwei Arten von Experimenten demonstriert: Messungen zur Bestimmung des nichtlinearen Brechungsindexes von Gold (Kapitel 3) sowie zweidimensionale Spektroskopie an mikrostrukturierten Oberflächen (Kapitel 4).
Für den nichtlinearen Brechungsindexes von Gold konnte an Dünnschichten eine obere Grenze von |n′′ 2 (Au)| < 0.6·10−16 m2/W für den Betrag des Imaginärteils und |n′ 2 (Au)| < 1.2·10−16 m2/W für den Betrag des Realteils festgesetzt werden. Simulationen mit der Finite-Differenzen-Methode an Y-förmige Nanostrukturen aus Gold zeigten, dass eine Phasenänderung von ∆Φ ≥ 0.07 rad zwischen zwei plasmonischen Moden ausreichend für eine experimentell sichtbare Kontraständerung der Fernfeldabstrahlung wäre. Da letztere nicht beobachtet werden konnte, wurde dieser Wert für ∆Φ als obere Grenze für die experimentell eingeführte Phasenänderung festgesetzt. Für die Zerstörschwelle wurde eine obere Grenze von 52 GW/cm2 gefunden.
In Kapitel 4, wurde eine neue Methode für nichtlineare Spektroskopie an Oberflächen vorgestellt. Sie trägt den Namen ”Kohärente zweidimensionale Fluoreszenz-Mikrospektroskopie“ und eignet sich zur Untersuchung ultraschneller Dynamiken in Nanostrukturen und molekularen Systemen am Beugungslimit.
Es wurden 2D-Spektren von räumlich isolierten Hotspots einer strukturierten Zink-Phthalocyanin (F16ZnPc) Dünnschicht mit 27-fachem Phasecycling aufgenommen. Als Grund für Artefakte in den 2D-Karten wurden Abweichungen zwischen den gewünschten und experimentellen Pulsformen identifiziert. Durch die in Kapitel 2 vorgestellten Optimierungen konnten die Abweichungen allerdings so stark reduziert werden, dass deren Trennung von der nichtlinearen Antwort der Probe möglich wurde.
Die Flexibilität und der Funktionsumfang zur Analyse mikroskopischer Systeme der im Rahmen dieser Arbeit entwickelten experimentellen Aufbauten und Methoden wurde demonstriert. Repräsentativ für die wachsenden Forschungsfelder der organischen Halbleiter und der Plasmonik wurden exemplarisch Systeme bestehend aus metall-organischen Farbstoffen und metallischen Nanostrukturen untersucht.
KW  - Ultrakurzzeitspektroskopie
KW  - Fluoreszenzspektroskopie
KW  - Fourier-Spektroskopie
KW  - Nanostruktur
KW  - Konfokale Mikroskopie
KW  - Coherent Multidimensional Spectroscopy
KW  - Laser Pulse Shaping
KW  - LCD Pulse Shaper
KW  - Surface Plasmon
KW  - Kohärente Multidimensionale Spektroskopie
KW  - Laserpulsformung
KW  - LCD Pulsformer
KW  - Oberflächenplasmon
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-192138
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schwarz, Christoph Benjamin
T1  - Full vector-field control of femtosecond laser pulses with an improved optical design
T1  - Vollständige Kontrolle des Vektorfelds von Femtosekunden-Laserpulsen mit einem verbesserten optischen Design
N2  - The controlled shaping of ultrashort laser pulses is a powerful technology and applied in many laser laboratories today. Most of the used pulse shapers are only able to produce linearly polarized pulses shaped in amplitude and phase. Some devices are also capable of producing limited time-varying polarization profiles, but they are not able to control the amplitude. However, for some state-of-the-art non-linear time-resolved methods, such as polarization-enhanced two-dimensional spectroscopy, the possibility of controlling the amplitude and the polarization simultaneously is desirable.

Over the last years, different concepts have been developed to overcome these restrictions and to manipulate the complete vector-field of an ultrashort laser pulse with independent control over all four degrees of freedom - phase, amplitude, orientation, and ellipticity. The aim of this work was to build such a vector-field shaper. While the basic concept used for our setup is based on previous designs reported in the literature, the goal was to develop an optimized optical design that minimizes artifacts, allowing for the generation of predefined polarization pulse sequences with the highest achievable accuracy.

In Chapter 3, different approaches reported in the literature for extended and unrestricted vector-field control were examined and compared in detail. Based on this analysis, we decided to follow the approach of modulating the spectral phase and amplitude of two perpendicularly polarized pulses independently from each other in two arms of an interferometer and recombining them to a single laser pulse to gain control over the complete vector field.

As described in Chapter 4, the setup consists of three functional groups: i) an optical component to generate and recombine the two polarized beams, ii) a 4f setup, and iii) a refracting telescope to direct the two beams under two different angles of incidence onto the grating of the 4f setup in a common-path geometry. This geometry was chosen to overcome potential phase instabilities of an interferometric vector-field shaper. Manipulating the two perpendicularly polarized pulses simultaneously within one 4f setup and using adjacent pixel groups of the same liquid-crystal spatial light modulator (LC SLM) for the two polarizations has the advantages that only a single dual-layer LC SLM is required and that a robust and compact setup was achieved. The shaping capabilities of the presented design were optimized by finding the best parameters for the setup through numerical calculations to adjust the frequency distributions for a broad spectrum of 740 – 880 nm. Instead of using a Wollaston prism as in previous designs, a thin-film polarizer (TFP) is utilized to generate and recombine the two orthogonally polarized beams. Artifacts such as angular dispersion and phase distortions along the beam profile which arise when a Wollaston prism is used were discussed. Furthermore, it was shown by ray-tracing simulations that in combination with a telescope and the 4f setup, a significant deformation of the beam profile would be present when using a Wollaston prism since a separation of the incoming and outgoing beam in height is needed. The ray-tracing simulations also showed that most optical aberrations of the setup are canceled out when the incoming and outgoing beams propagate in the exact same plane by inverting the beam paths. This was realized by employing a TFP in the so-called crossed-polarizer arrangement which has also the advantage that the polarization-dependent efficiencies of the TFP and the other optics are automatically compensated and that a high extinction ratio in the order of 15000:1 is reached. Chromatic aberrations are, however, not compensated by the crossed-polarizer arrangement. The ray-tracing simulations confirmed that these chromatic aberrations are mainly caused by the telescope and not by the cylindrical lens of the 4f setup. Nevertheless, in the experimentally used wavelength range of 780 – 816 nm, only minor distortions of the beam profile were observed, which were thus considered to be negligible in the presented setup.

The software implementation of the pulse shaper was reviewed in Chapter 5 of this thesis. In order to perform various experiments, five different parameterizations, accounting for the extended shaping capabilities of a vector-field shaper, were developed. The Pixel Basis, the Spectral Basis, and the Spectral Taylor Basis can generally be used in combination with an optimization algorithm and are therefore well suited for quantum control experiments. For multidimensional spectroscopy, the Polarized Four-Pulse Basis was established. With this parameterization pulse sequences with up to four subpulses can be created. The polarization state of each subpulse can be specified and the relative intensity, phase, and temporal delay between consecutive subpulses can be controlled. In addition, different software programs were introduced in Chapter 5 which are required to perform the experiments conducted in this work.

The experimental results were presented in Chapter 6. The frequency distribution across the LC SLM was measured proving that the optimal frequency distribution was realized experimentally. Furthermore, the excellent performance of the TFP was verified. In general, satellite pulses are emitted from the TFP due to multiple internal reflections. Various measurements demonstrated that these pulses are temporally separated by at least 4.05 ps from the main pulse and that they have vanishing intensity. The phase stability between the two arms of the presented common-path setup σ = 28.3 mrad (λ/222) over 60 minutes. To further improve this stability over very long measurement times, an on-the-fly phase reduction and stabilization (OPRAS) routine utilizing the pulse shaper itself was developed. This routine automatically produces a compressed pulse with a minimized relative phase between the two polarization components. A phase stability of σ = 31.9 mrad (λ/197) over nearly 24 hours was measured by employing OPRAS. Various pulse sequences exceeding the capabilities of conventional pulse shapers were generated and characterized. The experimental results proved that shaped pulses with arbitrary phase, amplitude, and polarization states can be created. In all cases very high agreement between the target parameters and the experimental data was achieved.

For the future use of the setup also possible modifications were suggested. These are not strictly required, but all of them could further improve the performance and flexibility of the setup. Firstly, it was illustrated how a “dual-output” of the setup can be realized. With this modification it would be possible to use the main intensity of the shaped pulse for an experiment while using a small fraction to characterize the pulse or to perform OPRAS simultaneously. Secondly, the basic idea of replacing the telescope by focusing mirrors in order to eliminate the chromatic aberrations was presented. Regarding the different parameterizations for vector-field shaping, some modifications increasing the flexibility of the implemented bases and the realization of a von Neumann Basis for the presented setup were proposed. In future experiments, the vector-field shaper will be used in conjunction with a photoemission electron microscope (PEEM). This approach combines the temporal resolution provided by ultrashort laser pulses with the high spatial resolution gained by electron microscopy in order to perform two-dimensional spectroscopy and coherent control on nanostructures with polarization-shaped femtosecond laser pulses. In combination with other chiral-sensitive experimental setups implemented earlier in our group, the vector-field shaper opens up new perspectives for chiral femtochemistry and chiral control.

The designed vector-field shaper meets all requirements to generate high-precision polarization-shaped multipulse sequences. These can be used to perform numerous polarization-sensitive experiments. Employing the OPRAS routine, a quasi-infinitely long phase stability is achieved and complex and elaborated long-term measurements can be carried out. The fact that OPRAS demands no additional hardware and that only a single dual-layer LC SLM and inexpensive optics are required allows the building of a vector-field shaper at comparatively low costs. We hope that with the detailed insights into the optical design process as well as into the software implementation given in this thesis, vector-field shaping will become a standard technique just as conventional pulse shaping in the upcoming years.
N2  - Die gezielte Formung ultrakurzer Laserpulse ist eine leistungsstarke Technik, die heutzutage in vielen Laserlaboren eingesetzt wird. Die meisten Pulsformer können jedoch nur linear polarisierte, in Phase und Amplitude geformte Laserpulse erzeugen. Einige Pulsformer können auch sich zeitlich verändernde Polarisationszustände generieren. Die möglichen Polarisationszustände sind allerdings beschränkt und eine gleichzeitige Formung der Amplitude ist dann nicht mehr möglich. Für einige moderne, nicht-lineare, zeitaufgelöste, spektroskopische Methoden, wie z.B. die polarisationsunterstützte zweidimensionale Spektroskopie, ist aber die gleichzeitige Kontrolle über die Polarisation und die Amplitude erstrebenswert.

In den letzten Jahren wurden verschiedene Konzepte entwickelt, um diese Beschränkungen zu überwinden und eine vollständige Kontrolle des Vektorfeldes über die vier Freiheitsgrade Phase, Amplitude, Orientierung und Elliptizität eines ultrakurzen Laserpulses zu erlangen. Ziel dieser Arbeit war es, einen solchen Vektorfeldformer zu konstruieren. Die Grundidee für das Design unseres Aufbaus basiert auf verschiedenen literaturbekannten Konzepten. Unser Ziel war es jedoch, ein optimiertes Design zu entwickeln, bei dem Formungsartefakte minimal sind und definierte polarisationsgeformte Mehrfachpulse mit der höchstmöglichen Genauigkeit erzeugt werden können.

In Kapitel 3 wurden verschiedene vorherige Ansätze für die erweiterte und vollständige Vektorfeldkontrolle detailliert geprüft und verglichen. Basierend auf dieser Analyse haben wir uns dazu entschlossen, das Konzept eines interferometrischen Vektorfeldformers zu verwenden. Bei diesem werden die spektrale Phase und Amplitude zweier orthogonal polarisierter Pulse unabhängig voneinander in den zwei Armen eines Interferometers manipuliert und durch Überlagerung dieser zwei Pulse die vollständige Kontrolle über das Vektorfeld erlangt.

Wie in Kapitel 4 beschrieben, besteht der Aufbau aus drei funktionellen Gruppen: i) einer optischen Komponente, um die zwei polarisierten Strahlen zu erzeugen und zu rekombinieren, ii) einem sog. 4f-Aufbau und iii) einem Linsenteleskop, um die zwei Strahlen unter unterschiedlichen Winkeln auf das Gitter des 4f-Aufbaus zu lenken, so dass beide Strahlen über dieselben Optiken propagieren. Diese Art der Strahlführung wurde gewählt, um die interferometrische Stabilität des Aufbaus zu verbessern. Beide Strahlen werden mit demselben 4f-Aufbau geformt, indem unterschiedliche benachbarte Pixelbereiche des Flüssigkristall-Lichtmodulators (LC SLM, engl. liquid-crystal spatial light modulator) für die zwei Polarisationskomponenten genutzt werden. Das hat den Vorteil, dass nur ein einzelnes zweilagiges LC SLM benötigt wird und so ein kompakter und robuster Aufbau realisiert werden konnte. Um die Frequenzverteilung für einen breiten Spektralbereich von 740 – 880 nm anzupassen, wurden die besten Parameter für den Aufbau anhand numerischer Berechnungen bestimmt, und somit die Formungsmöglichkeiten unseres Vektorfeldformers optimiert. Im Gegensatz zu anderen Designs wird ein Dünnschicht-Polarisator (TFP, engl. thin-film polarizer) anstelle eine Wollaston-Prismas verwendet, um die zwei senkrecht zueinander polarisierten Strahlen zu erzeugen und zu rekombinieren, da ein Wollaston-Prisma Artefakte wie Winkelchirp und eine über das Strahlprofiel variierende Phase verursacht. Bei Verwendung eines Wollaston-Prismas muss zudem der rekombinierte Strahl gegenüber des einfallenden Strahls in der Höhe verkippt werden, um beide räumlich trennen zu können. Raytracing-Simulationen haben gezeigt, dass dies in Kombination mit einem Teleskop und dem 4f-Aufbau zu einer erheblichen Deformierung des Strahlprofiles führt. Diese Simulationen haben auch gezeigt, dass die Abbildungsfehler des Aufbaus weitestgehend aufgehoben werden, wenn der eingehende und ausgehende Strahl in derselben Ebene propagieren und somit die Strahlwege genau invertiert werden. Dies konnte mit Hilfe des TFPs in einer Konfiguration, die gekreuzten Polarisatoren entspricht, realisiert werden. Diese Konfiguration hat zudem den Vorteil, dass dadurch die polarisationsabhängige Effizienz des TFPs und der anderen Optiken automatisch kompensiert wird und ein hohes Auslöschungsverhältnis in der Größenordnung 15000:1 erzielt wird. Die chromatische Aberration wird allerdings durch diese Polarisator-Konfiguration nicht aufgehoben. Durch Raytracing wurde bestätigt, dass diese primär durch das Teleskop verursacht wird und nicht durch die Zylinderlinse des 4f-Aufbaus. Allerdings wurden im experimentell genutzten Wellenlängenbereich von 780 – 816 nm nur geringe Störungen des Strahlprofiles beobachtet, die daher als vernachlässigbar angesehen wurden.

Die softwareseitige Umsetzung der Vektorfeldkontrolle wurde in Kapitel 5 beschrieben. Um verschiedene Experimente durchführen zu können, wurden fünf Parametrisierungen entwickelt, bei denen die erweiterten Formungsmöglichkeiten eines Vektorfeldformers berücksichtigt wurden. Die Pixel Basis, die Spectral Basis und die Spectral Taylor Basis können zusammen mit einem Optimierungsalgorithmus verwendet werden und sind damit bestens für Experimente der Quantenkontrolle geeignet. Für die multidimensionale Spektroskopie wurde die Polarized Four-Pulse Basis eingeführt. Mit dieser Parametrisierung können Mehrfach-Pulssequenzen mit bis zu vier Pulsen erzeugt werden. Dabei kann der Polarisationszustand jedes Pulses vorgegeben und die relative Intensität, Phase und der zeitliche Abstand aufeinanderfolgender Pulse festgelegt werden. Zusätzlich wurden in Kapitel 5 verschieden Softwareprogramme vorgestellt, die für die in dieser Arbeit durchgeführten Experimente notwendig sind. 

Die experimentellen Ergebnisse wurden in Kapitel 6 präsentiert. Die Frequenzverteilung am LC SLM wurde gemessen und dabei bewiesen, dass die optimale Frequenzverteilung experimentell realisiert werden konnte. Des Weiteren wurden die exzellenten Eigenschaften des TFPs bestätigt. Im Allgemeinen emittiert der TFP Satellitenpulse durch interne Mehrfachreflexe. Mehrere Messungen haben jedoch gezeigt, dass diese Satellitenpulse einen zeitlichen Abstand von mindesten 4,05 ps vom Hauptpuls aufweisen und dass deren Intensität verschwindend gering ist. Die Phasenstabilität des Aufbaus beträgt σ = 28,3 mrad (λ/222) über einen Zeitraum von einer Stunde. Um die Stabilität für sehr lange Messzeiten zu verbessern, wurde eine Routine zur Phasenreduktion und zur Stabilisierung (OPRAS, engl. on-the-fly phase reduction and stabilization) unter Einbeziehung des Pulsformers entwickelt. Diese Routine erzeugt automatisiert einen komprimierten Puls mit minimierter relativer Phase zwischen den zwei Polarisationskomponenten und ermöglicht so eine Phasenstabilität von σ = 31,9 mrad (λ/197) über nahezu 24 Stunden. Ferner wurden verschieden Pulssequenzen erzeugt und charakterisiert, die die Möglichkeiten der konventionellen Pulsformung übertreffen. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass geformte Pulse mit beliebigen Phasen, Amplituden und Polarisationszuständen generiert werden können. In allen Fällen wurde eine sehr hohe Übereinstimmung zwischen den Zielparametern und den experimentellen Daten erreicht.

Für den zukünftigen Einsatz des Aufbaus wurden mögliche Erweiterungen vorgeschlagen. Diese sind nicht zwingend erforderlich, könnten aber die Leistung und die Einsatzmöglichkeiten des Vektorfeldformers weiter verbessern. Erstens wurde aufgezeigt, wie zwei Ausgangsstrahlen erzeugt werden könnten. Mit dieser Veränderung wäre es möglich, den größten Teil der Intensität des geformten Strahls für ein Experiment zu nutzen und gleichzeitig einen geringen Anteil für die Pulscharakterisierung oder für die Phasenstabilisierung mit der entwickelten Routine zu verwenden. Um chromatische Aberration zu vermeiden, wurde zweitens die prinzipielle Idee, das Linsenteleskop durch fokussierende Spiegel zu ersetzen, diskutiert. Für die verschiedenen erarbeiteten Parametrisierungen zur Vektorfeldkontrolle wurden einige Erweiterungen vorgeschlagen, um deren Einsatzmöglichkeiten noch weiter zu erhöhen. Außerdem wurde noch die Möglichkeit einer von Neumann Basis für den präsentierten Aufbau aufgezeigt. In zukünftigen Experimenten wird unser Aufbau mit einem Photoemissionselektronenmikroskop (PEEM) kombiniert. Dadurch kann die zeitliche Auflösung ultrakurzer Laserpulse mit der hohen räumlichen Auflösung der Elektronenmikroskopie vereint werden, was die zweidimensionale Spektroskopie und Quantenkontrolle von Nanostrukturen mit Hilfe polarisationsgeformter Femtosekunden-Laserpulse ermöglicht. Der Vektorfeldformer eröffnet in Verbindung mit anderen zuvor in unserer Gruppe implementierten chiral sensitiven Versuchsaufbauten neue Perspektiven für die chirale Femtochemie und Kontrolle.

Der erarbeitete Vektorfeldformer erfüllt alle Anforderungen, um polarisationsgeformte Mehrfachpulssequenzen mit hoher Präzision zu erzeugen. Diese können verwendet werden, um zahlreiche polarisationssensitive Experimente durchzuführen. Durch die Stabilisierungsroutine OPRAS wird eine quasi unendlich lange Phasenstabilität des Aufbaus gewährleistet und komplexe und aufwendige Langzeitmessungen können ausgeführt werden. Die Tatsache, dass OPRAS keine weitere Hardware benötigt und der Aufbau nur einen einzigen zweilagigen Flüssigkristall-Lichtmodulator sowie ansonsten verhältnismäßig günstige Optiken erfordert, ermöglicht den Bau eines Vektorfeldformers zu vergleichsweise niedrigen Kosten. Wir hoffen, dass andere Forschergruppen von den detailreichen Einblicken in den Designprozess und die Software-Implementierung profitieren und dass die vollständige Vektorfeldformung in den nächsten Jahren genauso wie die konventionelle Pulsformung zu einer Standard-Technologie wird.
KW  - Ultrakurzer Lichtimpuls
KW  - vector-field shaper
KW  - vector-field control
KW  - polarization pulse shaping
KW  - femtosecond pulse shaping
KW  - Vektorfeldformer
KW  - Vektorfeldkontrolle
KW  - Polarisationspulsformung
KW  - Femtosekunden Pulsformung
KW  - Femtosekundenbereich
KW  - Impulsformung
KW  - Femtosekundenlaser
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-142948
ER  - 
TY  - THES
A1  - Razinskas, Gary
T1  - Functional plasmonic nanocircuitry
T1  - Funktionelle plasmonische Nanoschaltkreise
N2  - In this work, functional plasmonic nanocircuitry is examined as a key of revolutionizing state-of-the-art electronic and photonic circuitry in terms of integration density and transmission bandwidth. In this context, numerical simulations enable the design of dedicated devices, which allow fundamental control of photon flow at the nanometer scale via single or multiple plasmonic eigenmodes. The deterministic synthesis and in situ analysis of these eigenmodes is demonstrated and constitutes an indispensable requirement for the practical use of any device. By exploiting the existence of multiple eigenmodes and coherence - both not accessible in classical electronics - a nanoscale directional coupler for the ultrafast spatial and spatiotemporal coherent control of plasmon propagation is conceived. Future widespread application of plasmonic nanocircuitry in quantum technologies is boosted by the promising demonstrations of spin-optical and quantum plasmonic nanocircuitry.
N2  - In dieser Arbeit werden funktionelle plasmonische Schaltkreise als Schlüssel zur Revolutionierung modernster elektronischer und photonischer Schaltkreise in Bezug auf deren Integrationsdichte und Übertragungsbandbreite untersucht. Mit Hilfe numerischer Simulationen werden Bauelemente speziell für die Steuerung des Photonenflusses im Nanometerbereich mittels einzelner bzw. mehrerer plasmonischer Eigenmoden konzipiert. Die deterministische Synthese und Analyse solcher Eigenmoden wird aufgezeigt und stellt eine unverzichtbare Voraussetzung für die praktische Anwendung eines jeden Nanoschaltkreises dar. Durch die Existenz mehrerer Eigenmoden und Kohärenz - beide in der klassischen Elektronik nicht zugänglich - lässt sich ein nanoskaliger Richtkoppler für die ultraschnelle räumliche und räumlich-zeitliche kohärente Kontrolle der Plasmonenausbreitung entwerfen. Künftig werden plasmonische Schaltkreise aufgrund der vielversprechenden Demonstrationen von spinoptischen und quantenplasmonischen Schaltkreisen in Quantentechnologien weite Verbreitung finden.
KW  - Nanooptik
KW  - Plasmon
KW  - Ultrakurzer Lichtpuls
KW  - Nanostruktur
KW  - Wellenleiter
KW  - Integrated circuit
KW  - Ultrafast information processing
KW  - Surface plasmon
KW  - Mode propagation
KW  - Coherent control
KW  - Integriert-optisches Bauelement
KW  - Ultraschnelle Informationsverarbeitung
KW  - Oberflächenplasmon
KW  - Modenpropagation
KW  - Kohärente Kontrolle
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-166917
ER  - 
TY  - THES
A1  - Feichtner, Thorsten
T1  - Optimal Design of Focusing Nanoantennas for Light : Novel Approaches: From Evolution to Mode-Matching
T1  - Optimierung von Nano-Antennen zur Fokussierung von Licht: Neue Ansätze: Von Evolution zu Moden-Anpassung
N2  - Optische Antennen arbeiten ähnlich wie Antennen für Radiowellen und wandeln elektromagnetische Strahlung in elektrische Wechselströme um. Ladungsdichteansammlungen an der Antennen-Oberfläche führen zu starken und lokalisierten Nahfeldern. Da die meisten optischen Antennen eine Ausdehnung von wenigen hundert Nanometern besitzen, ermöglichen es ihre Nahfelder, Licht auf ein Volumen weit unterhalb des Beugungslimits zu fokussieren, mit Intensitäten, die mehrere Größenordnungen über dem liegen, was man mit klassischer beugender und reflektierender Optik erreichen kann. Die Aufgabe, die Abstrahlung eines Quantenemitters zu maximieren, eines punktförmigen Objektes, welches einzelne Photonen absorbieren und emittieren kann, ist identisch mit der Aufgabe, die Feldintensität am Ort des Quantenemitters zu maximieren. Darum ist es erstrebenswert, den Fokus optischer Antennen zu optimieren

Optimierte Radiofrequenz-Antennen, welche auf Größenordnungen von wenigen 100 Nanometern herunterskaliert werden, zeigen bereits eine gute Funktionalität. Jedoch liegen optische Frequenzen in der Nähe der Plasmafrequenz von den Metallen, die für optische Antennen genutzt werden und die Masse der Elektronen kann nicht mehr vernachlässigt werden. Dadurch treten neue physikalische Phänomene auf. Es entstehen gekoppelte Zustände aus Licht und Ladungsdichte-Schwingungen, die sogenannten Plasmonen.  Daraus folgen Effekte wie Volumenströme und kürzere effektive Wellenlängen. Zusätzlich führt die endliche Leitfähigkeit zu thermischen Verluste. Das macht eine Antwort auf die Frage nach der optimalen Geometrie für fokussierende optische Antennen schwer. Jedoch stand vor dieser Arbeit der Beweis noch aus, dass es für optische Antennen bessere Alternativen gibt als herunterskalierte Radiofrequenz-Konzepte.

In dieser Arbeit werden optische Antennen auf eine bestmögliche Fokussierung optimiert. Dafür wird ein Ansatz gewählt, welcher bei Radiofrequenz-Antennen für komplexe Anwendungsfelder (z.B. isotroper Breitbandempfang) schon oft Erfolg hatte: evolutionäre Algorithmen. Die hier eingeführte erste Implementierung erlaubt eine große Freiheit in Bezug auf Partikelform und Anzahl, da sie quadratische Voxel auf einem planaren, quadratischen Gitter beliebig anordnet. Die Geometrien werden in einer binären Matrix codiert, welche als Genom dient und somit Methoden wie Mutation und Paarung als Verbesserungsmechanismus erlaubt. So optimierte Antennen-Geometrien übertreffen vergleichbare klassische Dipol-Geometrien um einen Faktor von Zwei. Darüber hinaus lässt sich aus den optimierten Antennen ein neues Funktionsprinzip ableiten: ein magnetische Split-Ring-Resonanz kann mit Dipol-Antennen leitend zu neuartigen und effektiveren Split-Ring-Antennen verbunden werden, da sich ihre Ströme nahe des Fokus konstruktiv überlagern.

Im nächsten Schritt wird der evolutionäre Algorithmus so angepasst, so die Genome real herstellbare Geometrien beschreiben. Zusätzlich wird er um eine Art ''Druckertreiber'' erweitert, welcher aus den Genomen direkt Anweisungen zur fokussierten Ionenstrahl-Bearbeitung von einkristallinen Goldflocken erstellt. Mit Hilfe von konfokaler Mikroskopie der Zwei-Photonen-Photolumineszenz wird gezeigt, dass Antennen unterschiedlicher Effizienz reproduzierbar aus dem evolutionären Algorithmus heraus hergestellt werden können. Außerdem wird das Prinzip der Split-Ring-Antenne verbessert, indem zwei Ring-Resonanzen zu einer Dipol-Resonanz hinzugefügt werden.

Zu guter Letzt dient die beste Antenne des zweiten evolutionäre Algorithmus als Inspiration für einen neuen Formalismus zur Beschreibung des Leistungsübertrages zwischen einer optischen Antenne und einem Punkt-Dipol, welcher sich als "dreidimensionaler Modenüberlapp" beschreiben lässt. Damit können erstmals intuitive Regeln für die Form einer optischen Antenne aufgestellt werden. Die Gültigkeit der Theorie wird analytisch für den Fall eines Dipols nahe einer metallischen Nano-Kugel gezeigt.

Das vollständige Problem, Licht mittels einer optischen Antenne zu fokussieren, lässt sich so auf die Erfüllung zweier Modenüberlapp-Bedingungen reduzieren -- mit dem Feld eines Punktdipols, sowie mit einer ebenen Welle. Damit lassen sich zwei Arten idealer Antennenmoden identifizieren, welche sich von der bekannten Dipol-Antennen-Mode grundlegend unterscheiden. Zum einen lässt sich dadurch die Funktionalität der evolutionären und Split-Ring-Antennen erklären, zum lassen sich neuartige plasmonische Hohlraum-Antennen entwerfen, welche zu besserer Fokussierung von Licht führen. Dies wird numerisch im direkten Vergleich mit einer klassischen Dipolantennen-Geometrie gezeigt.
N2  - Optical antennas work similar to antennas for the radio-frequency regime and convert electromagnetic radiation into oscillating electrical currents. Charge density accumulations form at the antenna surface leading to strong and localized near-fields. Since most optical antennas have dimensions of a few hundred nanometers, their near-fields allow the focusing of electromagnetic fields to volumes much smaller than the diffraction limit, with intensities several orders of magnitude larger than achievable with classical diffractive and refractive optical elements. The task to maximize the emission of a quantum emitter, a point-like entity capable of reception and emission of single photons, is identical to the task to maximize the field intensity at the position of the quantum emitter. Therefore it is desirable to optimize the capabilities of focusing optical antennas. 

Radio-frequency-antenna designs scaled to optical dimensions of several hundred nanometers show already a decent performance. However, optical frequencies lie near the plasma frequency of the metals used for optical antennas and the mass of electrons cannot be neglected anymore. This leads to new physical phenomena. Light can couple to charge density oscillations, yielding a so-called Plasmon. Effects emerge which have no equivalent in the very advanced field of radio-frequency-technology, e.g.~volume currents and shortened effective wavelengths. Additionally the conductivity is not infinite anymore, leading to thermal losses. Therefore, the question for the optimal geometry of a focusing optical antenna is not easy to answer. However, up to now there was no evidence that there exist better alternatives for optical antennas than down-scaled radio-frequency designs.

In this work the optimization of focusing optical antennas is based on an approach, which often proved successful for radio-frequency-antennas in complex applications (e.g.~broadband and isotropic reception): evolutionary algorithms. The first implementation introduced here allows a large freedom regarding particle shape and count, as it arranges cubic voxels on a planar, square grid. The geometries are encoded in a binary matrix, which works as a genome and enables the methods of mutation and crossing as mechanism of improvement. Antenna geometries optimized in this way surpass a comparable dipolar geometry by a factor of 2. Moreover, a new working principle can be deduced from the optimized antennas: a magnetic split-ring resonance can be coupled conductively to dipolar antennas, to form novel and more effective split-ring-antennas, as their currents add up constructively near the focal point.

In a next step, the evolutionary algorithm is adapted so that the binary matrices describe geometries with realistic fabrication constraints. In addition a 'printer driver' is developed which converts the binary matrices into commands for focused ion-beam milling in mono-crystalline gold flakes. It is shown by means of confocal two-photon photo-luminescence microscopy that antennas with differing efficiency can be fabricated reliably directly from the evolutionary algorithm. Besides, the concept of the split-ring antenna is further improved by adding this time two split-rings to the dipole-like resonance.

The best geometry from the second evolutionary algorithm inspires a fundamentally new formalism to determine the power transfer between an antenna and a point dipole, best termed 'three-dimensional mode-matching'. Therewith, for the first time intuitive design rules for the geometry of an focusing optical antenna can be deduced. The validity of the theory is proven analytically at the case of a point dipole in from of a metallic nano sphere.

The full problem of focusing light by means of an optical antenna can, thus, be reduced to two simultaneous mode-matching conditions -- on the one hand with the fields of a point dipole, on the other hand with a plane wave. Therefore, two types of ideal focusing optical antenna mode patterns are identified, being fundamentally different from the established dipolar antenna mode. This allows not only to explain the functionality of the evolutionary antennas and the split-ring antenna, but also helps to design novel plamonic cavity antennas, which lead to an enhanced focusing of light. This is proven numerically in direct comparison to a classical dipole antenna design.
KW  - Physik
KW  - Plasmon
KW  - optical antennas
KW  - plasmonics
KW  - nano optics
KW  - LDOS
KW  - evolutionary optimization
KW  - mode matching
KW  - Optische Antennen
KW  - Plasmonik
KW  - Nano-Optik
KW  - Evolutionäre Optimierung
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-140604
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schreck, Maximilian
T1  - Synthesis and Photophysics of Linear and Star-Shaped Oligomers of Squaraine Dyes
T1  - Synthese und Photophysik von Linearen und Sternförmigen Squarain-Oligomeren
N2  - In this thesis, the synthesis and photophysics of a great variety of squaraine dyes are presented. This variety is based on four parent squaraines containing either indolenine or quinoline heterocycles. By a suitable choice of the donor and acceptor unit, the optical properties can already be adapted to the properties desired on the stage of the monomer. 

To promote a further derivatisation of these dyes, diverse functional groups are attached to the monomers using transition metal-catalysed C-C coupling reactions. However, this has to be preceded by the synthesis of bromine-functionalised derivatives as a direct halogenation of squaraine dyes is not feasible. Therefore, the halogen function is already introduced in precursor molecules giving rise to a molecular building block system containing bromine-, boronic ester-, and alkyne-functionalised monomer units, which pave the way to a plethora of squaraine oligomers and polymers.

The indolenine homopolymer pSQB-1 as well as the corresponding small molecular weight oligomers dSQB-1 and tSQB were synthesized applying Ni-mediated Yamamoto and Pd-catalysed Suzuki coupling methodologies, respectively. The motivation for this project relied on the fundamental investigations by Völker et al. on pSQB-V. A progressive red-shift of the lowest energy absorption maximum from the dimer to the polymer was observed in CHCl3 compared to the monomer. With increasing number of monomer units, the exciton coupling decreases from the dimer to the polymer. In addition, the shape of the absorption band manifold shows a strong dependence on the solvent, which was also observed by Völker et al. J-type aggregate behavior is found in chlorinated solvents such as CHCl3 and DCM, whereas H-type aggregates are formed in acetone. Temperature-dependent absorption studies in PhCN reveals a reversible equilibrium of diverse polymer conformers, which manifests itself in a gradual change from H-aggregate behavior to a mixture with a more pronounced J-aggregate behavior upon raising the temperature. It isassumed that both characteristic aggregate bands correlate in borderline cases with two polymer structures which can be assigned to a zig-zag and a helical structure. As no experimental evidence for these structures could hitherto be provided by NMR, TD-DFT computations on oligomers (22-mers) can reproduce very closely the characteristic features of the spectra for the two conformational isomers.

The subsequent chapters are motivated by the goal to influence the optical properties through a control of the superstructure and thus of the intramolecular aggregate formation.
On the one hand, bulky groups are implemented in the 3-position of the indolenine scaffold to provoke steric repulsion and thus favoring J-aggregate behavior at the expense of helical arrangements. The resulting homopolymer pDiPhSQB bearing two phenyl groups per indolenine exhibits J-type aggregate behavior with red-shifted absorption maxima in all considered solvents which is explained to be caused by the formation of elongated zig-zag structures. Furthermore, single-crystal X-ray analysis of monomer DiPhSQB-2-Br2 reveals a torsion of the indolenine moieties as a consequence of steric congestion. The twist of the molecular geometry and the resulting loss of planarity leads to a serious deterioration of the fluorescence properties, however a significant bathochromic shift of ca. 1 200 cm-1 of the lowest absorption band was observed compared to parent SQB, which is even larger than the shift for dSQB-1 (ca. 1 000 cm-1).
On the other hand, a partial stiffening of the polymer backbone is attempted to create a bias for elongated polymer chains. In this respect, the synthetic approach is to replace every second biarylaxis with the rigid transoid benzodipyrrolenine unit. Despite a rather low average degree of polymerization < 10, exclusively red-shifted absorption maxima are observed in all solvents used. 
In order to complete the picture of intramolecular aggregates through the selective design of H-aggregates, a squaraine-squaraine copolymer was synthesised containing the classic cisoid indolenine as well as the cisoid quinoline building block. Taking advantage of the highly structure directing self-assembly character of the quinoline moiety, the copolymer pSQBC indeed showes a broad, blue-shifted main absorption band in comparison with the monomer unit dSQBC. The shape of the absorption band manifold solely exhibited a minor solvent and temperature dependence indicating a persistent H-aggregate behaviour. Hence, as a proof of concept, it is shown that the optical properties of the polymers (H- and J-aggregate) and the corresponding superstructure can be inherently controlled by an adequate design of monomer precursors.

The last chapter of this work deals, in contrast to all other chapters, with intermolecular aggregates. It is shown that the two star-shaped hexasquarainyl benzenes hSQA-1 and hSQA-2 exhibit a strong propensity for self-organisation. Concentration- and temperature-dependent studies reveal a great driving force for self-assembly in acetone. While the larger hSQA-2 instantaneously forms stable aggregates, the aggregates of hSQA-1 shows a pronounced kinetic stability. Taking advantage of the kinetic persistency of these aggregates, the corresponding kinetic activation parameters for aggregation and deaggregation can be assessed. The absorption spectra of both hexasquarainyl benzenes in the aggregated state reveal some striking differences. While hSQA-1 features an intensive, very narrow and blue-shifted absorption band, two red-shifted bands are observed for hSQA-2, which are closely located at the monomer absorption. The very small bandwidth of hSQA-1 are interpreted to be caused by exchange narrowing and pointed towards highly ordered supramolecular aggregates. The concentration-dependent data of the two hexasquarainyl benzenes can be fitted to the dimer-model with excellent correlation coefficients, yielding binding constants in excess of 10^6 M-1, respectively. Such high binding constants are very surprising, considering the unfavourable bulky 3,3-dimethyl groups of the indolenine units which should rather prevent aggregation. Joint theoretical and NMR spectroscopic methods were applied to unravel the supramolecular aggregate structure of hSQA-1, which is shown to consist of two stacked hexasquarainyl benzenes resembling the picture of two stacked bowls.
N2  - Im Rahmen dieser Arbeit wird die Synthese sowie photophysikalischen Untersuchungen einer Vielzahl von Squarainfarbstoffen präsentiert. Diese Vielfalt erwuchs aus vier monomeren Stammverbindungen, die auf Indolenin- bzw. Chinolin-Heterozyklen gründeten. 

Um die Derivatisierung der Monomere weiter voranzutreiben, werden diese durch geeignete funktionelle Gruppen unter der Verwendung von übergangsmetallkatalysierten C-C Kupplungsreaktionen chemisch modifiziert. Dieser geht jedoch die Synthese Brom-funktionalisierter Vorstufen voraus. So muss die Halogenfunktion bereits in den Vorläufermolekülen eingeführt werden, da eine selektive, direkte Halogenierung auf der Stufe des Squarains nicht möglich ist. Schlussendlich kann somit ein molekularer Baukasten entwickelt werden, der, bestückt mit Monomerbausteinen mit Brom-, Borester-, und Alkinfunktionen, den Weg zu diversen oligomeren und polymeren Squarainfarbstoffen ebnete.

Das Indolenin Squarain Homopolymer pSQB-1, als auch die entsprechenden niedermolekularen Oligomerverbindungen dSQB-1 und tSQB wurden mittels der Ni-unterstützten Yamamoto bzw. Pd-katalysierte Suzuki Kupplung dargestellt. Die bereits durch Völker et al. erfolgten spektroskopischen Untersuchungen an pSQB-V werden im Rahmen dieser Arbeit fortgesetzt. Im Vergleich zum Monomer, zeigen das Dimer, Trimer und das Polymer in CHCl3 eine progressive Rotverschiebung der niedrigsten, intensivsten Absorptionsbande. Mit steigender Anzahl der SQB-Monomereinheiten nimmt die Exzitonenkopplung im Dimer bis hin zum Polymer ab. Wie auch bereits Völker et al. zeigen konnten, ist die Form der Absorption des Exzitonenbandes von pSQB-1 stark lösemittelabhängig. Während J-Aggregat ähnliches Verhalten in CHCl3 und DCM beobachtet wird, zeigt das Polymer in Aceton H-Aggregat ähnliches Verhalten. Temperaturabhängige Absorptionsmessungen in PhCN zeigen ein reversibles thermodynamisches Gleichgewicht von verschiedenen Polymerstrukturen, welches sich mit steigender Temperatur durch einen sukzessiven Übergang von H-Aggregat zu einer Mischung mit mehr J-Aggregat Charakter manifestiert. Es wird angenommen, dass das Auftreten der charakteristischen Aggregatsbanden im Grenzfall mit zwei Polymerkonformeren korreliert, die einer Zick-Zack- und einer Helix-Struktur entsprechen. Da hierfür keine experimentellen Beweise durch NMR bis dato vorliegen, wurden TD-DFT Kalkulationen an Oligomereinheiten (22-er) durchgeführt, die die wesentlichen Merkmale der Absorptionsspektren der zwei Konformere reproduzieren konnten.
Die anschließenden Kapitel erwuchsen aus der Motivation heraus, die optischen Eigenschaften der Polymere über die Kontrolle der Strukturbildung und somit der intramolekularen Aggregatsbildung zu beeinflussen. 
Um einerseits J-Aggregat Verhalten zu provozieren wird zunächst der Ansatz verfolgt, durch sterisch anspruchsvolle Gruppen in der 3-Position des Indolenin Gerüsts, den Kollaps zu helikalen Stukturen zu vermeiden. Das resultierende Homopolymer pDiPhSQB mit zwei Phenylgruppen pro Indolenin Einheit zeigt in allen untersuchten Lösemitteln bathochrom verschobene Absorptionsmaxima, was mit der Ausbildung von ausschließlich ausgedehnten Zick-Zack-Ketten begründet werden. Darüber hinaus zeigte die Einkristall-Röntgenstrukturanalyse des Monomers DiPhSQB-2-Br2 als Konsequenz der sterischen Überfrachtung eine Torsion des Indolenin Gerüsts. Die Verdrillung der Molekülgeometrie und der daraus resultierende Verlust an Planarität, führt zu einer erheblichen Verschlechterung der Fluoreszenzeigenschaften, jedoch wird eine signifikante Rotverschiebung der Monomerbande von ca. 1 200 cm-1 im Vergleich zu SQB beobachtet, welche sogar größer als die für dSQB-1 ist.
Zum anderen ergibt der Ansatz der partiellen Versteifung des Polymerrückgrades ebenfalls die Ausbildung von ausgedehnten Polymerketten begünstigen. Dieser Ansatz wird insofern verfolgt, als dass jede zweite Biarylachse zwischen zwei Monomereinheiten in pSQB-1 durch eine rigide transoide Benzodipyrrolenin Brücke ersetzt wird. Trotz eines eher geringen durchschnittlichen Polymerisationsgrades von < 10 kann dennoch eine Rotverschiebung der niederenergetischsten Absorptionsbande in allen Lösemitteln beobachtet werden. 
Um das Bild der intramolekularen Aggregate zu vervollständigen, wird das gezielte Design von H-Aggregaten verfolgt. Hierfür wurde ein Squarain-Squarain Copolymer synthetisiert, das zum einen aus dem klassischen cisoiden Indolenin und zum anderen aus dem cisoiden Chinolin Squarain aufgebaut ist. Diesbezüglich will man sich die Triebkraft des Chinolin Bausteins für Aggregation als strukturdirigierende Komponente zu Nutze machen, um helikale Konformationen der Polymerstränge zu erzeugen. Das Copolymer pSQBC zeigt in der Tat eine verbreiterte, hypsochrom verschobene Hauptabsorptionsbande im Vergleich zur Monomereinheit dSQBC. Die Form der Absorption des Exzitonenbandes zeigt eine geringe Lösemittelabhängigkeit, die ebenfalls nur marginal durch die Temperatur beeinflusst werden kann. Schlussendlich deuten diese Befunde auf ein stark-ausgeprägtes H-Aggregat ähnliches Verhalten hin, was die zu anfangs formulierte These belegt, dass sich die optischen Eigenschaften der Polymere (H- und J-Aggregate) und deren Strukturbildung durch ein adäquates Moleküldesign der Monomerbausteine kontrollieren lassen.

Das letzte Kapitel dieser Arbeit stand im Gegensatz zu den vorherigen Kapiteln ausschließlich im Fokus von intermolekularen Aggregaten. Die Squaraine hSQA-1 und hSQA-2 neigen, in ein sternförmiges Hexaarylbenzol-Gerüst gebettet, zur Selbstorganisation. Konzentration- und temperaturabhängige Studien der beiden synthetisierten Hexasquarainyl-Benzole zeigen eine starke Triebkraft zur Aggregation in Aceton. Während hSQA-2 instantan thermodynamisch stabile Aggregate bildet, offenbart hSQA-1 Aggregate eine ausgeprägte kinetische Stabilität. Dies kann man sich zu Nutze machen und die kinetischen Aktivierungsparameter der Aggregation und Deaggregation zu bestimmen. Die Absorptionsspektren der beiden Hexasquarainyl-Benzole im aggregierten Zustand zeigen extreme Unterschiede auf. Während hSQA-1 eine intensive, sehr schmale und stark hypsochrom verschobene Bande zeigt, beobachtet man für das größere Hexasquarainyl-Benzol zwei bathochrom verschobene Banden, die allerdings energetisch sehr nahe der Monomerbande lokalisiert sind. Die sehr geringe Halbwertsbreite der Aggregatsbande in hSQA-1 wird durch die sog. Austauschverschmälerung erklärt und deutet auf hochgeordnete supramolekulare Aggregate hin. Die konzentrationsabhängigen Messdaten der beiden Chromophore konnten sehr gut mit Hilfe des Dimer-Modells angepasst werden, welches für beide Systeme eine hohe Bindungskonstante von über 10^6 M-1 ergab. In Anbetracht der Tatsache, dass die raumgreifenden 3,3-Dimethylgruppen im Indoleningerüst extrem hinderlich für den Aggregationsprozess sind, ist die starke Triebkraft zur Selbstorganisation, welche sich in den hohen Bindungskonstanten niederschlägt, äußerst bemerkenswert. Theoretische Modellierungen und Rechnungen in Kombination mit NMR-spektroskopischen Untersuchungen von hSQA-1 ergeben eine Aggregatsstruktur aus zwei sich stapelten Hexasquarainylbenzolmonomeren, die dem Bild zweier gestapelter Schüsseln entspricht.
KW  - Squaraine
KW  - Oligomere
KW  - Supramolekulare Chemie
KW  - Squaraine Dyes
KW  - Oligomers and Polymers
KW  - J- and H-Aggregates
KW  - Helix- and Zig-Zag-Conformers
KW  - Supramolecular Chemistry
KW  - Squarain Farbstoffe
KW  - J- and H-Aggregate
KW  - Helix- and Zick-Zack-Konformere
KW  - Supramolekulare Chemie
KW  - Helicität <Chemie>
KW  - Chemische Synthese
KW  - Chemische Reaktion
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-174272
ER  - 
TY  - THES
A1  - Steeger, Markus
T1  - Energy and Charge Transfer in Donor-Acceptor Substituted Hexaarylbenzenes
T1  - Energie- und Ladungstransfer in Donor-Akzeptor-substituierten Hexaarylbenzolen
N2  - The focus of this work was the investigation of energy transfer between charge transfer states. For this purpose the multidimensional chromophores HAB-S, HAB-A, B1 and B2 were synthesised, each consisting of three electron donor and three electron acceptor redox centres linked symmetrically or asymmetrically by the hexaarylbenzene framework. Triarylamines represent in all these compounds the electron donors, whereas the electron poor centres were triarylboranes in B1 and B2 and PCTM centres in HAB-S and HAB-A, respectively. The hexaarylbenzenes were obtained by cobalt catalysed cyclotrimerisation of the respective tolan precursors. In addition, Star was synthesised, which consists of a central PCTM linked to three triarylamin centres by tolan bridging units in a star-like configuration. The hexaarylbenzene S1a/b substituted with six squaraine chromophores could not be realised. It is assumed that the cyclotrimerisation catalyst Co2(CO)8 does not tolerate the essential hydroxyl groups in the tolan precursor S2a. The alternative reaction pathway to execute the cyclotrimerisation reaction first and introduce the hydroxyl groups thereafter failed as well, because the required hexaarylbenzene substituted by six semisquaric acid moieties could not be synthesised. However, energy transfer interactions could be investigated in the tolan precursor S2a with two squaraine units to obtain information about the electronic coupling provided by the tolan bridge. For all multidimensional compounds model molecules were synthesised with only a single donor-acceptor pair (B3, Star-Model and HAB-Model). This allows a separate consideration of energy and charge transfer processes. It has to be stressed that in all before mentioned multidimensional compounds the “through bond” energy transfer interaction between neighbouring IV-CT states is identical to a transfer of a single electron between two redox centres of the same kind (e.g. TAA -> TAA+). The latter can be analysed by electron transfer theory. This situation is observed when the two IV-CT states transferring energy share one redox centre.
All compounds containing PCTM centres were characterised by paramagnetic resonance spectroscopy. Thereby, a weak interaction between the three PCTM units in HAB-S and HAB-A was observed. In addition, when oxidising Star-Model, a strongly interacting singlet or triplet state was obtained. In contrast, signals corresponding to a weakly interacting biradical were obtained for HAB-Model+. This indicates a strong electronic coupling between the redox centres provided by the tolan bridge and a weak coupling when linked by the hexaarylbenzene. This trend is supported by UV/Vis/NIR absorption measurements. The analysis of the observed IV-CT absorption bands by electron transfer theory reveals a weak electronic coupling of V = 340 cm-1 in HAB-Model and a distinctly stronger coupling of V = 1190-2900 cm-1 in Star-Model. In the oxidised HAB-S+, Star+ and Star-Model+ a charge transfer reversed from that of the neutral species, that is, from the PCTM radical to the electron poorer cationic TAA centre, was observed by spectroelectrochemistry. The temporal evolution of the excited states was monitored by ultrafast transient absorption measurements. Within the first picosecond stabilisation of the charge transfer state was observed, induced by solvent rotation. Anisotropic transient absorption measurements revealed that within the lifetime of the excited state (tau = 1-4 ps) energy transfer does not occur in the HABs whereas in the star-like system ultrafast and possibly coherent energy redistribution is observed. Taken this information together the identity between energy transfer and electron transfer in the specific systems were made apparent. It has to be remarked that neither energy transfer nor charge transfer theory can account for the very fast energy transfer in Star.
The electrochemical and photophysical properties of B1 and B2 were investigated by cyclic voltammetry, absorption and fluorescence measurements and were compared to B3 with only one neighbouring donor-acceptor pair. For the asymmetric B2 CV measurements show three oxidations as well as three reduction peaks whose peak separation is greatly influenced by the conducting salt due to ion-pairing and shielding effects. Consequently, peak separations cannot be interpreted in terms of electronic couplings in the generated mixed valence species. Transient absorption, fluorescence solvatochromism and absorption spectra show that charge transfer states from the amine to the boron centres are generated after optical excitation. The electronic donor-acceptor interaction is weak though as the charge transfer has to occur predominantly through space. The electronic coupling could not be quantified as the CT absorption band is superimposed by pi-pi* transitions localised at the amine and borane centres. However, this trend is in good agreement to the weak coupling measured for HAB-Model. Both transient absorption and fluorescence upconversion measurements indicate an ultrafast stabilisation of the charge transfer state in B1- B3 similar to the corresponding observations in HAB-S and Star. Moreover, the excitation energy of the localised excited charge transfer states can be redistributed between the aryl substituents of these multidimensional chromophores within fluorescence lifetime (ca. 60 ns). This was proved by steady state fluorescence anisotropy measurements, which further indicate a symmetry breaking in the superficially symmetric HAB. Anisotropic fluorescence upconversion measurements confirm this finding and reveal a time constant of tau = 2-3 ps for the energy transfer in B1 and B2. It has to be stressed that, although the geometric structures of B1 and HAB-S are both based on the same framework and furthermore the neighbouring CT states show in both cases similar Coulomb couplings and negligible “through bond” couplings, very fast energy transfer is observed in B1 whereas in HAB-S the energy is not redistributed within the excited state lifetime. To explain this, it has to be kept in mind that the energy transfer and the relaxation of the CT state are competing processes. The latter is influenced moreover by the solvent viscosity. Hence, it is assumed that this discrepancy in energy transfer behaviour is caused by monitoring the excited state in solvents of varying viscosity. Adding fluoride ions causes the boron centres to lose their acceptor ability due to complexation. Consequently, the charge transfer character in the donor-acceptor chromophores vanishes which could be observed in both the absorption and fluorescence spectra. However, the fluoride sensor ability of the boron centre is influenced strongly by the moisture content of the solvent possibly due to hydrogen bonding of water to the fluoride anions.
UV/Vis/NIR absorption measurements of S2a show a red-shift by 1800 cm-1 of the characteristic squarain band compared to the model compound S20. From exciton theory a Coulomb coupling of V = 410 cm-1 is calculated which cannot account for this strong spectral shift. Consequently, “through-bond” interactions have to contribute to the strong communication between the two squaraine chromophores in S2a. This is in accordance with the strong charge transfer coupling calculated for the tolan spacer in Star-Model.
N2  - Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung des Energietransfers zwischen Ladungstransfer-Zuständen in multidimensional Donor-Akzeptor Systemen. Zu diesem Zweck wurden die Chromophore HAB-S, HAB-A, B1 und B2 synthetisiert. Diese bestehen jeweils aus drei Elektronen-Donoren und Elektronen-Akzeptoren, die über das Hexaarylbenzol-Gerüst symmetrisch oder asymmetrisch verknüpft sind. Triarylamine stellen dabei die Elektronen-Donoren dar, während Triarylborane in B1 und B2 und PCTM-Zentren in HAB-S und HAB-A die Aufgabe der Elektronen-Akzeptoren übernehmen. Die Hexaarylbenzole konnten durch Cobalt-katalysierte Cyclotrimerisierung der entsprechenden Tolan-Vorstufen hergestellt werden. Zusätzlich wurde das multidimensionale Chromophor Star synthetisiert. Dieses besteht aus einem zentralen PCTM, welches über Tolan-Brückeneinheiten sternförmig mit drei Triarylamin Zentren verknüpft ist. Das Hexaarylbenzol S1a/b, das mit sechs Squarain Chromophoren substituiert ist, konnte nicht realisiert werden. Möglichweise werden die essentiellen Hydroxygruppen der Tolan-Vorstufe S2a nicht von dem Cyclotrimerisierungs-Katalysator Co2(CO)8 toleriert. Der alternative Reaktionsweg, die Cyclotrimerisierung zuerst durchzuführen und anschließend die Hydroxygruppen einzuführen, schlug ebenfalls fehl. Grund dafür war, dass das Hexaarylbenzol, welches mit sechs Quadratsäure-Einheiten substituiert ist, nicht synthetisiert werden konnte. Nichtsdestotrotz konnten Energietransfer Wechselwirkungen in der Tolan-Vorstufe S2a untersucht werden. Dabei konnte die elektronische Kopplung zwischen den zwei Squarain-Zentren charakterisiert werden. Zu allen multidimensionalen Verbindungen wurden zusätzlich Modelverbindungen mit nur einem einzelnen Donor-Akzeptor-Paar hergestellt (B3, Star-Model und HAB-Model). Dadurch konnten die Energie- und Ladungstransferprozesse getrennt betrachten werden. Es soll noch angemerkt werden, dass in allen genannten multidimensionalen Verbindungen der Energietransfer „über Bindungen“ zwischen zwei benachbarten IV-CT Zuständen identisch ist mit dem Transfer eines einzelnen Elektrons zwischen zwei gleichartigen Redoxzentren (z.B. TAA→TAA+). Diese Situation ist immer dann zu beobachten, wenn sich die zwei IV-CT Zustände, zwischen denen Energie übertragen wird, ein Redox-Zentrum teilen.
Alle Verbindungen, die PCTM Zentren beinhalten, wurden durch Elektronenspinzresonanz Experimente charakterisiert. Dabei wurde eine schwache Wechselwirkung zwischen den drei PCTM Einheiten in HAB-S und HAB-A beobachtet. Durch die Oxidation von Star-Model konnten zudem stark wechselwirkende Singlett- bzw. Triplettzustände erhalten werden. Dagegen wurden für HAB-Model+∙ Signale beobachtet, die einem schwach wechselwirkendem Biradikal entsprechen. Das lässt darauf hindeuten, dass die Tolan-Brückeneinheit eine starke Kopplung zwischen den Redox-Zentren gewährleistet, während die Verknüpfung über das Hexaarylbenzol-Gerüst eine schwache Kopplung zur Folge hat. Dieser Trend wurde durch UV/Vis/NIR Absorptionsmessungen gestützt. Durch die Analyse der beobachteten IV-CT Absorptionsbanden mittels Elektronentransfer-Theorie konnte eine schwache Kopplung von V = 340 cm-1 in HAB-Model und eine deutlich stärkere Kopplung von V = 1190-2900 cm-1 in Star-Model ermittelt werden. In spektroelektrochemischen Untersuchungen wurde in den oxidierten Verbindungen HAB-S+, Star+ und Star-Model+, im Vergleich zu den neutralen Verbindungen, der Ladungstransfer in entgegengesetzter Richtung beobachtet. D.h. vom PCTM-Radikal zum elektronenärmeren, kationischen TAA-Zentrum. Die zeitliche Entwicklung der angeregten Zustände wurde mit transienter Absorptionsspektroskopie verfolgt. Innerhalb der ersten Pikosekunden konnte eine Stabiliserung des Ladungstransferzustands, verursacht durch Umorientierungen des Lösungsmittels, beobachtet werden. Anisotrope, transiente Absorptionsmessungen konnten zeigen, dass innerhalb der Lebenszeit des angeregten Zustands (τ = 1-4 ps) kein Energietransfer in den HABs stattfindet, während in dem sternförmigen System eine ultraschnelle und möglicherweise koherente Energieumverteilung beobachtet wurde. Letztendlich konnte klargestellt werden, dass Energietransfer und Ladungstransfer in diesen speziellen Systemen identisch sind. Jedoch konnte weder die Energie-, noch die Ladungstransfertheorie den sehr schnellen Energietransfer in Star erklären.
Die elektrochemischen und photophysikalischen Eigenschaften von B1 und B2 wurden mittels Cyclovoltammetrie, Absorptions- und Fluoreszenzmessungen untersucht und mit B3 verglichen. Im Fall vom asymmetrischen B2 zeigten CV Messungen drei Oxidations- und drei Reduktionspeaks, wobei der Abstand zwischen den Peaks stark vom Leitsalz abhing. Dies lässt sich auf Ionenpaar und Abschirmungseffekte zurückführen. Folglich konnten die Abstände zwischen den Peaks nicht in Bezug auf elektronische Kopplungen in den erzeugten, gemischtvalenten Verbindungen interpretiert werden. Transiente Absorption, Fluoreszenz Solvatochromie sowie Absorptionsspektren zeigten, dass nach optischer Anregung Ladungstransferzustände vom Amin- zum Borzentrum bevölkert werden. Die elektronische Donor-Akzeptor Wechselwirkung war jedoch schwach, da der Ladungstransfer hauptsächlich über den Raum stattfindet. Die elektronische Kopplung konnte nicht quantifiziert werden, weil die CT Absorptionsbande von π-π* Übergängen, die an den Amin- und Borzentren lokalisiert sind, überlagert war. Der Trend ist jedoch in guter Übereinstimmung mit der schwachen Kopplung, die für HAB-Model gemessen wurde. Sowohl transiente Absorptions- wie auch Fluoreszenz-Aufkonversionsmessungen deuten auf eine ultraschnelle Stabilisierung des Ladungstransferzustandes in B1 - B3, ähnlich dem Verhalten von HAB-S und Star, hin. Des Weiteren kann die Anregungsenergie der lokalisierten, angeregten Ladungstransferzustände innerhalb der Fluoreszenzlebensdauer (ca. 60 ns) zwischen den Arylsubsituenten dieser multidimensionalen Chromophore umverteilt werden. Dies wurde mit stationären Fluoreszenz-Anisotropiemessungen bewiesen, die weiterhin einen Symmetriebruch im vermeintlich symmetrischen HAB andeuten. Anisotrope Fluoreszenz-Aufkonversionsmessungen bestätigten diese Schlussfolgerung und zeigten eine Zeitkonstante von τ = 2-3 ps für den Energietransfer in B1 und B2. Es soll darauf hingewiesen werden, dass obwohl die geometrischen Strukturen von B1 und HAB-S beide auf dem gleichen Grundgerüst basieren und weiterhin benachbarte CT Zustände in beiden Fällen ähnliche Coulomb Kopplungen und vernachlässigbare Kopplungen „über Bindungen“ aufweisen, in B1 ein sehr schneller Energietransfer beobachtet werden konnte, während in HAB-S die Anregungsenergie innerhalb der Fluoreszenzlebenszeit nicht umverteilt wird. Um dies zu erklären, muss berücksichtigt werden, dass Energietransfer und die Relaxation des CT Zustands konkurrierende Prozesse darstellen. Letzteres wird zudem von der Viskosität des Lösungsmittels beeinflusst. Demnach wird angenommen, dass der Unterschied im Ladungstransferverhalten auf die Verwendung von unterschiedlich viskosen Lösungsmitteln zurückzuführen ist. Wenn Fluorid-Ionen zugesetzt wurden, verloren die Borzentren auf Grund von Komplexierung die Akzeptoreigenschaften. Folglich ging der Ladungstransfercharakter in den Donor-Akzeptor-Verbindungen verloren, was mittels Absorptions- und Fluoreszenzspektroskopie verfolgt wurde. Die Fluorid-Sensor-Eigenschaften der Borzentren war jedoch stark vom Feuchtigkeitsgehalt des Lösungsmittels beeinflusst. Dies ist wahrscheinlich auf starke Wasserstoffbindungen zwischen Wasser Molekülen und Fluorid-Ionen zurückzuführen.
UV/Vis/NIR Absorptionsmessungen von S2a zeigten im Vergleich zur Modelverbindung S20 eine Rotverschiebung der charakteristischen Squarain Bande um 1800 cm-1. Anhand der Excitonen-Theorie konnte eine Coulomb Kopplung von V = 410 cm-1 berechnet werden, die jedoch diese starke Verschiebung nicht erklären kann. Demnach müssen Wechselwirkungen „durch Bindungen“ mit zu dieser guten Kommunikation zwischen den beiden Squarain Chromophoren in S2a beitragen. Diese Annahme stimmt mit der starken Ladungstransfer Kopplung überein, die für die Tolan-Brücke in Star-Model berechnet wurde.
KW  - Energietransfer <Mikrophysik>
KW  - Ladungstransfer
KW  - energy transfer
KW  - charge transfer
KW  - hexaarylbenzenes
KW  - Energietransfer
KW  - Ladungstransfer
KW  - Hexaarylbenzole
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-112520
ER  - 
TY  - THES
A1  - Müller, Stefan
T1  - Coherent Multiple-Quantum Multidimensional Fluorescence Spectroscopy
T1  - Kohärente multidimensionale Multiquanten-Fluoreszenzspektroskopie
N2  - This thesis describes novel concepts for the measurement of the static and dynamic properties of the electronic structure of molecules and nanocrystals in the liquid phase by means of coherent fluorescence-detected spectroscopy in two and three frequency dimensions. These concepts are based on the systematic variation ("phase cycling") of a sequence of multiple time-delayed femtosecond excitation pulses in order to decode a multitude of novel nonlinear signals from the resulting phase-dependent fluorescence signal. These signals represent any permutation of correlations between zero-, one-, two-, and three-quantum coherences. To this end, two new phase-cycling schemes have been developed which can simultaneously resolve and discriminate several nonlinear signals of sixth order, including those of the fourth order of nonlinearity.

By means of the sixth-order signals recorded in this work, static properties of highly excited electronic states in molecules such as their energies, transition dipole moments, and relative displacement of electronic potential surfaces, as well as dynamic properties in terms of their relaxation kinetics, can be ascertained. Furthermore, it was shown that these signals are suitable for the characterization of exciton-exciton correlations in colloidal quantum dots and for the measurement of ultrafast exciton-exciton annihilation in molecular aggregates.

The experiments performed in this thesis mark an important step towards the complete characterization of the nonlinear response of quantum systems. In view of this, the concept of fluorescence-detected multiple-quantum coherence multidimensional spectroscopy introduced here offers a unified, systematic approach.

In virtue of the technical advantages such as the use of a single excitation beam and the absence of nonresonant contributions, the measurement protocols developed here can be directly transferred to other incoherent observables and  to sample systems in other states of matter. Furthermore, the approaches presented here can be systematically extended to higher frequency dimensions and higher orders of nonlinearity.
N2  - Diese Arbeit beschreibt neuartige Konzepte zur Messung der statischen und dynamischen Eigenschaften der elektronischen Stuktur von Molekülen und Nanokristallen in der flüssigen Phase mittels kohärenter Fluoreszenz-detektierter Spektroskopie in zwei und drei Frequenzdimensionen. Diese Konzepte beruhen auf der systematischen Phasenvariation ("Phase Cycling") einer Sequenz mehrerer zeitverzögerter Femtosekunden-Anregepulse, um aus dem resultierenden phasenabhängigen Fluoreszenzsignal eine Vielzahl von neuartigen nichtlinearen Signalen zu dekodieren. Diese Signale stellen jegliche Permutationen von Korrelationen zwischen Null-, Ein-, Zwei- und Drei-Quantenkohärenzen dar. Hierzu wurden zwei neue Phase-Cycling Schemata entwickelt, welche gleichzeitig mehrere nichtlineare Signale der sechsten Ordnung auflösen und voneinander unterscheiden können, inklusive der Signale der vierten nichtlinearen Ordnung. 

Mit den in dieser Arbeit aufgenommenen Signalen der sechsten Ordnung können statische Eigenschaften hoch-angeregter elektronischer Zustände in Molekülen wie deren Energien, Übergangsdipolmomente, relative Verschiebung elektronischer Potentialflächen zueinander, sowie dynamische Eigenschaften in Bezug auf deren Relaxationskinetik ermittelt werden. Ferner wurde gezeigt, dass diese Signale zur Charakterisierung von Exziton-Exziton-Korrelationen in kolloidalen  Quantenpunkten sowie zur Messung ultraschneller Exziton-Exziton-Annihilierung in molekularen Aggregaten geeignet sind.

Die Experimente dieser Arbeit markieren einen wichtigen Schritt in Richtung der vollständigen Charakterisierung der nichtlinearen Antwort von Quantensystemen. Das hier eingeführte Konzept der Fluoreszenz-detektierten multidimensionalen Multiquantenkohärenz-Spektroskopie bietet hierfür einen vereinheitlichten, systematischen Ansatz.

In Hinblick auf technische Vorteile wie der Verwendung eines einzigen Anregestrahls und der Abwesenheit von nichtresonanten Beiträgen lassen sich die hier entwickelten Messprotokolle direkt auf andere inkohärente Observablen und auf Probesysteme in anderen Aggregatszuständen übertragen. Ferner lassen sich die vorgestellten Ansätze systematisch auf höhere Frequenzdimensionen und nichtlineare Ordnungen erweitern.
KW  - Coherent Multidimensional Spectroscopy
KW  - Ultrakurzzeitspektroskopie
KW  - Angeregter Zustand
KW  - Kohärente Anregung
KW  - Electronic spectroscopy
KW  - Time-resolved spectroscopy
KW  - Laser pulse shaping
KW  - Phase cycling
KW  - High-excited electronic states
KW  - Elektronische Spektroskopie
KW  - Zeitaufgelöste Spektroskopie
KW  - Laserimpulsformung
KW  - Phasenmodulation
KW  - Hochangeregte elektronische Zustände
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-244113
ER  - 
TY  - THES
A1  - Koch, Federico Juan
T1  - Structure-Dependent Ultrafast Relaxation Dynamics in Multichromophoric Systems
T1  - Strukturabhängigkeit ultraschneller Relaxationsdynamik in multichromophoren Systemen
N2  - Time-resolved spectroscopy allows for analyzing light-induced energy conversion and
chromophore–chromophore interactions in molecular systems, which is a prerequisite in
the design of new materials and for improving the efficiency of opto-electronic devices.
To elucidate photo-induced dynamics of complex molecular systems, transient absorption
(TA) and coherent two-dimensional (2D) spectroscopy were employed and combined
with additional experimental techniques, theoretical approaches, and simulation models
in this work.
A systematic series of merocyanines, synthetically varied in the number of chromophores
and subsitution pattern, attached to a benzene unit was investigated in cooperation with
the group of Prof. Dr. Frank Würthner at the University of Würzburg. The global analysis
of several TA experiments, and additional coherent 2D spectroscopy experiments, provided
the basis to elaborate a relaxation scheme which was applicable for all merocyanine
systems under investigation. This relaxation scheme is based on a double minimum on the
excited-state potential energy surface. One of these minima is assigned to an intramolecular
charge-transfer state which is stabilized in the bis- and tris-chromophoric dyes by
chromphore–chromophore interactions, resulting in an increase in excited-state lifetime.
Electro-optical absorption and density functional theory (DFT) calculations revealed a
preferential chromophore orientation which compensates most of the dipole moment of
the individual chromophores. Based on this structural assignment the conformationdependent
exciton energy splitting was calculated. The linear absorption spectra of the
multi-chromophoric merocyanines could be described by a combination of monomeric and
excitonic spectra.
Subsequently, a structurally complex polymeric squaraine dye was studied in collaboration
with the research groups of Prof. Dr. Christoph Lambert and Prof. Dr. Roland Mitric
at the University of Würzburg. This polymer consists of a superposition of zigzag and
helix structures depending on the solvent. High-level DFT calculations confirmed the previous
assignment that zigzag and helix structures can be treated as J- and H-aggregates,
respectively. TA experiments revealed that in dependence on the solvent as well as the
excitation energy, ultrafast energy transfer within the squaraine polymer proceeds from
initially excited helix segments to zigzag segments or vice versa. Additionally, 2D spectroscopy
confirmed the observed sub-picosecond dynamics. In contrast to other conjugated
polymers such as MEH-PPV, which is investigated in the last chapter, ultrafast
energy transfer in squaraine polymers is based on the matching of the density of states
between donor and acceptor segments due to the small reorganization energy in cyanine-like
chromophores.
Finally, the photo-induced dynamics of the aggregated phase of the conjugated polymer
MEH-PPV was investigated in cooperation with the group of Prof. Dr. Anna Köhler at the University of Bayreuth. Our collaborators had previously described the aggregation of MEH-PPV upon cooling by the formation of so-called HJ-aggregates based on exciton
theory. By TA measurements and by making use of an affiliated band analysis distinct
relaxation processes in the excited state and to the ground state were discriminated. By
employing 2D spectroscopy the energy transfer between different conjugated segments
within the aggregated polymer was resolved. The initial exciton relaxation within the
aggregated phase indicates a low exciton mobility, in contrast to the subsequent energy
transfer between different chromophores within several picoseconds.
This work contributes by its systematic study of structure-dependent relaxation dynamics
to the basic understanding of the structure-function relationship within complex
molecular systems. The investigated molecular classes display a high potential to increase
efficiencies of opto-electronic devices, e.g., organic solar cells, by the selective choice of
the molecular morphology.
N2  - Zeitaufgelöste Spektroskopie ermöglicht die Untersuchung lichtinduzierter Energietransferprozesse
und molekularer Wechselwirkungen. Derartige Ergebnisse bilden
wiederum die Grundlage für die Entwicklung von Synthesestrategien für neuartige Materialien
sowie für effizientere optoelektronische Anwendungen. Um die lichtinduzierte Dynamik
komplexer molekularer Systeme aufzuklären, wurden die Techniken der transienten
Absorption (TA) und der kohärenten zweidimensionalen (2D) Spektroskopie mit weiteren
experimentellen Messungen sowie theoretischen Ansätzen und Simulationen kombiniert.
In Kooperation mit der Forschungsgruppe von Prof. Dr. FrankWürthner an der Universität
Würzburg wurde eine molekulare Serie von Merocyaninen untersucht, die sich in der
Anzahl der Chromophore und dem Substitutionsmuster an einem Benzolring unterscheiden.
Eine globale Analyse der TA-Experimente für die verschiedenen Moleküle der Serie
sowie weitere kohärente 2D-Spektroskopie-Experimente ermöglichten es, ein Relaxationsmodell
zu ermitteln, das für alle untersuchten Merocyaninsysteme anwendbar ist. Dieses
Relaxationsmodell basiert auf einem doppelten Minimum in der Potentialfläche des ersten
angeregten Zustands. Eines dieser Minima wurde einem intramolekularen Ladungstransferzustand
zugeordnet, welcher durch die Wechselwirkung benachbarter Chromophore
stabilisiert wird und dadurch einen Anstieg der Lebensdauer des angeregten Zustands
bewirkt. Zusätzliche elektrooptische Absorptionsmessungen in Kombination mit Ergebnissen
der Dichtefunktionaltheorie offenbarten eine bevorzugte relative Chromophororientierung,
die das Dipolmoment eines einzelnen Chromophors weitestgehend kompensiert.
Basierend auf dieser Strukturbestimmung wurde eine strukturabhängige Exzitonenaufspaltungsenergie
ermittelt und mit der Aufspaltung in den linearen Absorptionsspektren
verglichen. Die linearen Absorptionsspektren der multichromophoren Merocyanine können
durch eine Kombination von monomerischen und exzitonischen Beiträgen beschrieben
werden, was eine gewisse strukturelle Flexibilität erfordert.
In einer weiteren Kooperation mit den Gruppen von Prof. Dr. Christoph Lambert
und Prof. Dr. Roland Mitric der Universität Würzburg wurde ein strukturell komplexer,
polymerer Squarainfarbstoff untersucht. Dieses Polymer besteht aus einer Superposition
von Zickzack- und Helixstrukturen, welche lösungsmittelabhängig ist. Rechnungen
basierend auf neuesten Methoden der Dichtefunktionaltheorie bestätigten die vorherige
Zuordnung, dass Zickzack- und Helixstrukturen als J- und H-Aggregate behandelt werden
können. Mittels transienter Absorption konnte ermittelt werden, dass in Abhängigkeit
des Lösungsmittels sowie der Anregungsenergie ultraschneller Energietransfer innerhalb
des Squarain-Polymers entweder von zunächst angeregten Helix- zu Zickzacksegmenten
stattfindet oder von Zickzack- zu Helixsegmenten. Zusätzlich konnte die Subpikosekundendynamik
durch die kohärente 2D-Spektroskopie bestätigt werden. Im Gegensatz zu
anderen konjugierten Polymeren wie MEH-PPV, welches im letzten Kapitel dieser Arbeit behandelt wird, basiert der ultraschnelle Energietransfer in Squarainpolymeren auf dem
energetischen Überlapp der Zustandsdichten von Donor- und Akzeptorsegmenten, welcher
auf die geringe Reorganisationsenergie in cyaninähnlichen Farbstoffen beruht.
Abschließend wurde die lichtinduzierte Dynamik der aggregierten Phase des konjugierten
Polymers MEH-PPV in Kooperation mit der Gruppe von Prof. Dr. Anna Köhler
von der Universität Bayreuth untersucht. Unsere Kooperationspartner hatten zuvor die
Aggregation von MEH-PPV bei Abkühlung durch die Formation von sogenannten HJ-Aggregaten,
welche auf der Exzitonentheorie beruhen, beschrieben. Durch transiente Absorptionsmessungen
und einer zugehörigen Bandenanalyse konnte zwischen Relaxationsprozessen
im angeregten Zustand und zurück zum Grundzustand unterschieden werden.
Die Anwendung der kohärenten 2D-Spektroskopie ermöglichte es, Energietransferprozesse
zwischen konjugierten Segmenten des aggregierten Polymers aufzuklären. Die anfängliche
Exzitonenrelaxation innerhalb der aggregierten Phase deutet auf eine geringe Mobilität
der Exzitonen hin, welche im Gegensatz zu den anschließenden Energietransferprozessen
zwischen unterschiedlichen Chromophoren innerhalb einiger Pikosekunden steht.
Diese Arbeit trägt durch eine systematische Untersuchung der strukturabhängigen Relaxationsdynamik
zum grundlegenden Verständnis des Verhältnisses zwischen Struktur
und Funktion von komplexen molekularen Systemen bei. Die untersuchten Molekülklassen
weisen dabei ein hohes Potential auf, um durch gezielte Wahl der Morphologie zu
einer Steigerung von Effizienzen in optoelektronischen Anwendungen, wie beispielsweise
organischen Solarzellen, beizutragen.
KW  - Femtosekundenspektroskopie
KW  - Ultrakurzzeitspektroskopie
KW  - Molekülstruktur
KW  - Ultrafast Spectroscopy
KW  - Molecular Structure
KW  - Transient-Absorption Sectroscopy
KW  - Coherent two-dimensional Spectroscopy
KW  - Relaxation Dynamics
KW  - Polychromophores System
KW  - Verbindungen
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-136306
ER  - 
TY  - THES
A1  - Knorr, Johannes Walter
T1  - Femtosecond spectroscopy of photolysis reactions in the liquid phase
T1  - Femtosekundenspektroskopie von Photolysereaktionen in der flüssigen Phase
N2  - Within the framework of this thesis, photolysis reactions in the liquid phase were investigated by means of ultrafast optical spectroscopy. Apart from molecular studies dealing with the highly spin-dependent reactivity of diphenylcarbene (DPC) in binary solvent
mixtures and ligand dissociation reactions of so-called CO-releasing molecules (CORMs),
special emphasis was put on the implementation and characterization of methods improving
and extending the signal detection in conventional pump–probe transient absorption setups. 

The assumption of DPC being an archetypal triplet-ground-state arylcarbene was recently questioned by matrix-isolation studies at low temperatures. DPC embedded in argon matrices revealed a hitherto unknown reactivity when the carbene environment was modified by small amounts of methanol dopant molecules. To complement these findings with liquid-phase experiments at room temperature, femtosecond pump–probe transient absorption spectroscopy with probing in the visible and ultraviolet regime was employed to unravel primary reaction processes of DPC in solvent mixtures. Supported by quantum chemical simulations conducted by our collaborators, it was shown that a competition between the reaction pathways occurs that not only depends on the solvent molecule near-by but also on its interaction with other solvent molecules. In-depth analysis of the solvation dynamics and the amount of nascent intermediates corroborates the importance of a hydrogen-bonded complex with a protic solvent molecule, in striking analogy to complexes found at cryogenic temperatures. 

Probing the transient absorption of molecules in the mid-infrared spectral range benefits from the high chemical specificity of molecules’ vibrational signatures. The technique of chirped-pulse upconversion (CPU) constitutes a promising alternative to standard direct multichannel MCT detection when accessing this spectral detection window. Hence, one chapter of this thesis is dedicated to a direct comparison between both detection methods. By conducting an exemplary pump–probe transient absorption experiment, it became evident, that the additional nonlinear interaction step is responsible for increased noise levels when using CPU. However, a correction procedure capable of removing these additional noise contributions—stemming from the fundamental laser radiation used for upconversion—was successfully tested. Perhaps most importantly for various spectroscopic applications, CPU scored with a significantly extended detection bandwidth owing to the high pixel numbers of modern CCD cameras.

Transition-metal complexes capable of releasing small molecular messengers upon photoactivation are promising sources of gasotransmitters such as carbon monoxide (CO) or nitric oxide (NO) in biological applications. However, only little is known about the characteristic time scales of ligand dissociation in this class of molecules. For this purpose, two complexes were investigated with femtosecond time resolution: [Mn(CO)3(tpm)]Cl with tpm=tris(2-pyrazolyl)methane, a manganese tricarbonyl complex which has proven to be selective and cytotoxic to cancer cells, and [Mo(CO)2(NO)(iPr3tacn)]PF6 with iPr3tacn=1,4,7-triisopropyl-1,4,7-triazacyclononane, a molybdenum complex containing both carbonyl and nitrosyl ligands. By conducting pump–probe transient absorption measurements in different spectral probing windows supported by quantum chemical calculations and linear absorption spectroscopy, it was shown that both complexes are able to release one CO ligand within the first few picoseconds after UV excitation. The results complement existing studies which focused on the molecules’ ligand-releasing properties upon long-term exposure. The additional information gained on an ultrafast time scale provides a comprehensive understanding of individual reaction steps connected with ligand release in this class of molecules. Hence, the studies might create new incentives to develop modified molecules for specific applications.
N2  - Im Rahmen dieser Dissertation wurden Methoden der ultraschnellen optischen Spektroskopie
angewandt, um Photolysereaktionen in der flüssigen Phase zu untersuchen. Neben molekularen Studien, welche sich mit der stark spin-abhängigen Reaktivität von Diphenylcarben (DPC) in binären Lösungsmittelgemischen und den Ligandendissoziationsreaktionen von sogenannten CO-freisetzenden Molekülen (CORMs, engl.: CO-releasing molecules) befassten, war ein wesentlicher Bestandteil dieser Arbeit die Implementierung und Charakterisierung von Methoden zur Verbesserung und Erweiterung der Signaldetektion in Aufbauten zur zeitaufgelösten Anrege-Abfrage-Spektroskopie.

Die generelle Annahme, dass es sich bei DPC um ein archetypisches Triplett-Grundzustands-Arylcarben handelt, wurde kürzlich durch Matrixisolationsstudien in Frage gestellt. In jenen Untersuchungen offenbarte DPC, eingebettet in Argon-Matrizen, durch die Modifizierung der Carbenumgebung mit geringen Mengen an Methanol-Dotiermolekülen, eine bislang unbekannte Reaktivität. Komplementär dazu wurden im Rahmen dieser Arbeit Messungen in der flüssigen Phase bei Raumtemperatur durchgeführt. Femtosekundenzeitaufgelöste Anrege-Abfrage-Spektroskopie mit Abfragepulsen aus dem sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich diente dabei zur Aufkläung der primären Reaktionsprozesse von DPC in Lösungsmittelgemischen. Es zeigte sich, unterstützt durch quantenchemische Simulationen unserer Kollaborateure, dass konkurrierende Reaktionspfade auftreten, welche nicht nur von den Lösungsmittelmolekülen in der unmittelbaren Umgebung abhängen, sondern auch von deren Wechselwirkung mit anderen Lösungsmittelmolekülen. Eine ausführliche Analyse, sowohl der Solvatationsdynamiken als
auch der Menge an aufkommenden Intermediaten, bekräftigte die Bedeutung eines Komplexes
der durch Wasserstoffbrückenbindung mit einem protischen Lösungmittelmolekül entsteht — in auffallender Ähnlichkeit zu Komplexen die bei kryogenen Temperaturen gefunden wurden.

Das Abfragen der transienten Absorption eines Moleküls im mittleren Infrarot wird
durch die hohe chemische Spezifität von molekularen Schwingungssignaturen begünstigt.
Um dieses spektrale Fenster zu untersuchen, bietet die CPU-Methode (engl.: chirped-pulse upconversion) eine vielversprechende Alternative zur konventionellen direkten Mehrkanal MCT-Detektion. Daher widmet sich ein Kapitel dieser Arbeit einem direkten Vergleich der beiden Detektionsmethoden. Im Rahmen eines exemplarischen Anrege-Abfrage-Experiments zeigte sich, dass die zusätzliche nichtlineare Wechselwirkung zu einem erhöhten Rauschniveau bei der Verwendung der CPU-Technik führt. Dennoch konnte eine Korrekturprozedur erfolgreich getestet werden, die es ermöglicht, jene zusätzlichen Rauschbeiträge, die durch Fluktuationen der fundamentalen Laserstrahlung hervorgerufen werden, zu entfernen. Am wichtigsten für eine Vielzahl spektroskopischer Anwendungen ist jedoch, dass die CPU-Technik auf Grund der hohen Pixel-Anzahl moderner CCD-Kameras mit einer signifikant erhöhten Detektionsbandbreite punkten kann.

Für biologische Anwendungen besteht steigendes Interesse an Molekülen zur kontrollierten
Verabreichung von Gasotransmittern wie Kohlenstoffmonoxid (CO) oder Stickstoffmonoxid
(NO). Vielversprechend sind hierbei Übergangsmetallkomplexe, welche in der Lage sind, jene kleinen Signalmoleküle nach Photoanregung freizusetzen. Dennoch ist nur sehr wenig über die charakteristischen Zeitskalen der Ligandendissoziation in dieser Molekülklasse bekannt. Daher wurden im Rahmen dieser Arbeit zwei Komplexe mit Femtosekundenzeitauflösung untersucht: [Mn(CO)3(tpm)]Cl mit tpm=tris(2-pyrazolyl)methane, ein Mangankomplex mit drei Carbonylliganden, desses selektive und zytotoxische Wirkung gegenüber Krebszellen nachgewiesen ist, und [Mo(CO)2(NO)(iPr3tacn)]PF6 mit iPr3tacn=1,4,7-triisopropyl-1,4,7-triazacyclononane, ein Molybdänkomplex, der sowohl CO- als auch NO-Liganden enthält. Mit Hilfe von Anrege-Abfrage-Spektroskopie in verschiedenen spektralen Bereichen, unterstützt durch quantenchemische Berechnungen und lineare Absorptionsspektroskopie, konnte gezeigt
werden, dass beide Komplexe jeweils einen CO-Liganden innerhalb der ersten Pikosekunden
nach UV-Anregung abspalten können. Die Ergebnisse ergänzen bestehende Studien, welche die Ligandenfreisetzungseigenschaften der Moleküle unter Langzeitbelichtung untersuchten.
Die zusätzliche Information – gewonnen auf der ultraschnellen Zeitskala – ermöglicht ein umfassendes Verständnis der einzelnen Reaktionsschritte, welche mit der Ligandendissoziation in dieser Molekülklasse verbunden sind. Daher könnten die Studien neue Anreize zur Entwicklung modifizierter Moleküle schaffen, welche für spezifische Anwendungen geeignet sind.
KW  - Ultrakurzzeitspektroskopie
KW  - Pump-Probe-Technik
KW  - Femtosekundenspektroskopie
KW  - Ultraschnelle Photochemie
KW  - ultrafast photochemistry
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-131362
ER  - 
TY  - THES
A1  - Steinbacher, Andreas Edgar
T1  - Circular dichroism and accumulative polarimetry of chiral femtochemistry
T1  - Zirkulardichroismus und akkumulative Polarimetrie chiraler Femtochemie
N2  - This work brings forward successful implementations of ultrafast chirality-sensitive spectroscopic techniques by probing circular dichroism (CD) or optical rotation dispersion (ORD). Furthermore, also first steps towards chiral quantum control, i.e., the selective variation of the chiral properties of molecules with the help of coherent light, are presented.

In the case of CD probing, a setup capable of mirroring an arbitrary polarization state of an ultrashort laser pulse was developed. Hence, by passing a left-circularly polarized laser pulse through this setup a right-circularly polarized laser pulse is generated. These two pulse enantiomers can be utilized as probe pulses in a pump--probe CD experiment. Besides CD spectroscopy, it can be utilized for anisotropy or ellipsometry spectroscopy also. Within this thesis, the approach is used to elucidate the photochemistry of hemoglobin, the oxygen transporting protein in mammalian blood. The oxygen loss can be triggered with laser pulses as well, and the results of the time-resolved CD experiment suggest a cascade-like relaxation, probably through different spin states, of the metallo-porphyrins in hemoglobin.

The ORD probing was realized via the combination of common-path optical heterodyne interferometric polarimetry and accumulative femtosecond spectroscopy. Within this setup, on the one hand the applicability of this approach for ultrafast studies was demonstrated explicitly. On the other hand, the discrimination between an achiral and a racemic solution without prior spatial separation was realized. This was achieved by inducing an enantiomeric excess via polarized femtosecond laser pulses and following its evolution with the developed polarimeter. Hence, chiral selectivity was already achieved with this method which can be turned into chiral control if the polarized laser pulses are optimized to steer an enhancement of the enantiomeric excess.

Furthermore, within this thesis, theoretical prerequisites for anisotropy-free pump--probe experiments with arbitrary polarized laser pulses were derived. Due to the small magnitude of optical chirality-sensitve signals, these results are important for any pump--probe chiral spectroscopy, like the CD probing presented in this thesis. Moreover, since for chiral quantum control the variation of the molecular structure is necessary, the knowledge about rearrangement reactions triggered by photons is necessary. Hence, within this thesis the ultrafast Wolff rearrangement of an α-diazocarbonyl was investigated via ultrafast photofragment ion spectroscopy in the gas phase. Though the compound is not chiral, the knowledge about the exact reaction mechanism is beneficial for future studies of chiral compounds.
N2  - Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung neuartiger Methoden in der Ultrakurzzeitspektroskopie von chiralen Molekülen, basierend auf den optischen Nachweismethoden Zirkulardichroismus- und optische Rotationsspektroskopie. Zudem sollten die Methoden auch für ihre Eignung hinsichtlich der chiralen Quantenkontrolle, d.h. der selektiven änderung der chiralen Eigenschaften von Molekülen mit Hilfe von kohärentem Licht, beleuchtet werden.

Im Falle des Nachweises über den Effekt des Zirkulardichroismus (CD, von engl. circular dichroism) wurde im Rahmen dieser Arbeit ein optischer Aufbau entwickelt, der einen beliebigen Polarisationszustand eines ultrakurzen Laserimpulses spiegeln kann. Mit diesem Aufbau ist es daher möglich, einen links-zirkular polarisierten Laserimpuls zu einem rechts-zirkular polarisierten Laserimpuls zu spiegeln. Die so erzeugten Pulsenantiomere können demnach als Abfragelaserimpulse in einem Anrege-Abfrage-CD-Experiment verwendet werden. Zudem eignet sich der Aufbau auch für Experimente zur Ellipsometriespektroskopie oder für zeitaufgelöste Anisotropiemessungen. In dieser Arbeit wurde die Methode genutzt, um die Photochemie von Hämoglobin zu untersuchen. Hämoglobin ist ein eisenhaltiges Protein, welches für den Sauerstofftransport im Blut aller Wirbeltiere zuständig ist. Die Abgabe von Sauerstoff kann dabei auch mittels Anregung durch einen Laserimpuls erfolgen. Die Auswertung der durchgeführten zeitaufgelösten Anrege-Abfrage-CD-Experimente legt nahe, dass die Relaxation in den Grundzustand in mehreren Schritten, vermutlich verbunden mit änderungen des Spin-Zustands des metallischen Porphyrins, erfolgt.

Die entwickelte Spektroskopiemethode für den Nachweis mittels optischer Rotationsdispersion (ORD, von engl. optical rotation dispersion) basiert auf einer Kombination aus optisch einpfadiger Interferometrie und akkumulativer Femtosekundenspektroskopie. Das entwickelte Polarimeter wurde zunächst mittels einer exemplarischen Photoreaktion für Anwendungen in der Ultrakurzzeitspektroskopie getestet. Weiterhin wurde das Polarimeter auch zur Unterscheidung zwischen einer achiralen und einer racemischen Molekül-Lösung genutzt. Anstatt die chiralen Moleküle in Lösung zunächst mittels nicht-optischer Methoden zu separieren, wurde hier auf optischem Weg ein Enantiomerenüberschuss erzeugt. Dazu dienten zirkular polarisierte Laserimpulse, die je nach Händigkeit ein Enantiomer in der Lösung selektiv anreicherten. Die Entstehung des Enantiomerenüberschusses wurde zeitabhängig mit Hilfe des entwickelten Polarimeters detektiert. Dieses Experiment stellt daher gleichzeitig eine Vorstufe zur chiralen Quantenkontrolle dar. In einem nächsten Schritt wäre eine Vergrößerung des Enantiomerenüberschusses durch Anpassung der polarisierten Anregepulse an das molekulare System denkbar.

Neben diesen beiden neu entwickelten experimentellen Methoden wurden im Rahmen dieser Arbeit auch die theoretischen Bedingungen für anisotropiefreie Anrege-Abfrage-Experimente für beliebige Polarisationszustände hergeleitet. Da gerade bei der Spektroskopie von chiralen System die Messsignale typischerweise sehr schwach sind, sollten Anisotropie-Effekte vermieden werden. Die Ergebnisse dieser theoretischen Betrachtung fanden daher auch für die oben erwähnte CD-Spektroskopie von Hämoglobin Verwendung. Da im Falle von chiraler Quantenkontrolle eine änderung der chiralen Eigenschaften eines Moleküls von Nöten ist, sind lichtinduzierte ultraschnelle Umlagerungsreaktionen von großer Bedeutung. Daher wurde in dieser Arbeit auch die Wolff-Umlagerung von einer α-Diazocarbonyl-Verbindung mit Hilfe von zeitaufgelöster Massenspektroskopie untersucht. Obwohl das verwendete Molekül nicht chiral ist, sind die Ergebnisse dieses Experiments, wie zum Beispiel der exakte Reaktionsmechanismus, hilfreich für zukünftige Kontrollexperimente mit chiralen Systemen.
KW  - Ultrakurzzeitspektroskopie
KW  - femtosecond spectroscopy
KW  - chirality-sensitive spectroscopy
KW  - polarimetry
KW  - circular dichroism spectroscopy
KW  - ultrafast photochemistry
KW  - Femtosekundenspektroskopie
KW  - Chiral-sensitive Specktroskopie
KW  - Polarimetrie
KW  - Zirkulardichroismus Spektroskopie
KW  - Ultraschnelle Photochemie
KW  - Verbindungen
KW  - Femtosekundenspektroskopie
KW  - Chiralität <Chemie>
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-116500
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kanal, Florian
T1  - Femtosecond Transient Absorption Spectroscopy – Technical Improvements and Applications to Ultrafast Molecular Phenomena
T1  - Femtosekundenzeitaufgelöste Absorptionsspektroskopie – Technische Verbesserungen und Anwendungen auf ultraschnelle molekulare Phänomene
N2  - Photoinduced processes are nowadays studied with a huge variety of spectroscopic methods. In the liquid phase, transient absorption spectroscopy is probably the most versatile pump–probe technique used to study light-induced molecular phenomena. Optical time-resolved spectroscopy is established in a large number of laboratories and is still further being developed with respect to many technical aspects. Nevertheless, the full potential of shortening the data-acquisition time—necessary for the investigation of rapidly photodegrading samples and observation of macroscopically fast processes—achievable with high-repetition-rate laser systems and shot-to-shot detection was not fully exploited. Especially, shot-to-shot detection is highly beneficial due to the high correlation of subsequent laser pulses.
The development and implementation of 100 kHz broadband shot-to-shot data acquisition was presented in Chapter 3. For an established laser dye as a benchmark system, ultrafast excited-state dynamics were measured for the first time with broadband shot-to-shot detection at 100 kHz. An analysis of both the noise characteristics of the employed laser and the correlation of subsequent pulses quantified the advantage of shot-to-shot data acquisition. In the utilized software environment, the time for measuring a complete data set could be sped up by a factor of three or even higher compared to a laser system working at 1 kHz. So far, the limiting factor is the data processing and the movement of the mechanical delay stage. Nevertheless, the new shot-to-shot detection has the potential to shorten the measurement time up to a factor of 100. The data quality is improved by a factor of three when the hitherto conventional averaging scheme is compared to shot-to-shot acquisition for the same number of laser pulses. The expansion of shot-to-shot data acquisition for high repetition rates will allow studies on sensitive samples as exposure times can strongly be reduced to achieve the same signal-to-noise ratio. In addition, multidimensional spectroscopy can also be extended to high-repetition shot-to-shot readout allowing an efficient recording of data. Therefore, in future experiments, dynamics and couplings in sensitive samples and kinetic processes could be studied in more detail.
Complex photophysical and photochemical phenomena are subject of many fields of research. Many of these multifaceted processes are not yet fully understood. Therefore, a possible approach is the elucidation of single reaction steps with the combination of transient absorption spectroscopy and a suitable, less complex model system. The systematic variation of the model system’s properties and environments, e.g., by chemical substitution or adequate choice of the solvent allows the determination of essential entities and reactivities thereof. Proper knowledge of an individual intermediate step and its determining factors can enhance the understanding of the complete photoreaction process.
The application of transient absorption spectroscopy was shown for the optically-induced electron transfer in a series of donor–acceptor oligomers in Chapter 4. In general, the solvent relaxation times were isolated from the back-electron-transfer dynamics by a global lifetime analysis. For the smallest oligomeric structure where complete charge separation is possible, an ultrafast equilibration leads to charge recombination from the configuration showing the lowest barrier for recombination. The back-electron transfer strongly depends on the utilized solvent. Whereas in dichloromethane the back-electron transfer occurs with the maximum rate in the barrierless optimal region, the dynamics in toluene are governed by a Marcus inverted-region effect. The experimentally observed rates were also estimated by theoretical calculations of the respective barriers. The study did not only successfully unravel charge transfer in the oligomeric systems but also improved the understanding of the electron-transfer properties of larger polymers from an earlier study. Therefore, the combination of length variation and time-resolved spectroscopy is an important step towards the correct prediction of charge-carrier dynamics in macroscopic devices, e.g., for photovoltaics.
The bond dissociation of a carbon-monoxide-releasing molecule in aqueous solution was studied in Chapter 5 as a prototype reaction for the photo-triggered breaking of a bond. It was shown that upon excitation only one carbon-monoxide ligand of the tricarbonyl complex is dissociated. A fraction of the photolyzed molecules restore the intact initial complex by geminate recombination within the temporal resolution of the experiment. However, the recombination could be detected by the hot ground-state infrared absorption of the complex. The detectable dicarbonyl formed upon CO release distributes excess energy from the absorbed photon into low-frequency modes which result in broadened absorption bands like for the recombined tricarbonyl. The free coordination site in the ligand sphere is filled with a solvent water molecule. Despite numerous studies of metal carbonyls studied in alkaneous solutions, the elucidation of the dynamics of a CORM in aqueous solution added another important detail to the photochemistry of this class of compounds. Experiments employing a second ultraviolet pump pulse did not trigger further CO dissociation and hence no formation of a monocarbonyl species; this might either be due to a different release mechanism without a further photochemical step or a strong spectral shift of the dicarbonyl’s absorption. Both reasons could explain why degenerate pump–repump–probe spectroscopy is inefficient. However, further experiments with ultraviolet probe pulses could substantiate whether the intermediate dicarbonyl reacts further photochemically or not. Apart from the model-system character of the CORM for bond dissociation, the study could determine exactly how many CO ligands are initially photolyzed off. Detailed knowledge of the release mechanism will affect the previous use and application as well as the further development of CORMs as therapeutic prodrugs to deliver high local concentrations of CO in cancerous or pathological tissue. Hence, the study of two-photon absorption properties which are important for in vivo applications of CORMs should be the main focus in further spectroscopic experiments.
In Chapter 6, both abovementioned molecular phenomena—electron transfer and bond dissociation—were studied in combination. The photochemistry of a tetrazolium salt was studied in detail in a variety of different solvents. Being a relatively small molecule, the studied tetrazolium cation shows a multifaceted photochemistry and is therefore a textbook example for the combination of ultrafast molecular phenomena studied in different environments. Within femtoseconds, the tetrazolium ring is opened. The biradicalic species is then reduced via uptake of an electron from the solvent. The formation of the ring-open formazan photoproduct from this point of the reaction sequence on was excluded by experiments with acidic pH value of the solution. The ring-open radical is stabilized by ring-closure. The resulting tetrazolinyl radical was already observed in experiments with microsecond time resolution. However, its formation was observed in real time for the first time in this study. Irradiation of a tetrazoliumsalt solution yields different photoproduct distributions depending on the solvent. However, it was shown that all photoproducts have a tetrazolinyl radical as a common precursor on an ultrafast time scale. In combination with studies from the literature, the complete photochemical conversion of a tetrazolium salt was clarified in this study. Apart from the prototype character of the reaction sequence, the reaction mechanism will have impact on research associated with life science where tetrazolium assays are used on a daily basis without taking into account of photochemical conversion of the indicating tetrazolium ion and its photochemically formed reactive intermediates. On the basis of the tetrazolium-ion photochemistry, the rich photochemistry of the formazan photoproduct, including structural rearrangements and subsequent reformation of the tetrazolium ion, might be the subject of future studies.
This thesis shows a method advancement and application of transient absorption spectroscopy to exemplary molecular model systems. The insights into each respective field did not only enlighten singular aspects, but have to be seen in a much larger context. Understanding complex photoinduced processes bottom-up by learning about their constituting steps—microscopically and on an ultrafast time scale—is an ideal method to approach understanding and prediction of phenomena in large molecular systems like biological or artificial architectures as for example used in photosynthetic light-harvesting and photovoltaics.
N2  - Photoinduzierte Prozesse werden heutzutage mit einer Vielzahl spektroskopischer Methoden untersucht. In der flüssigen Phase ist die transiente Absorptionsspektroskopie die wohl vielfältigst verwendete Anrege-Abfrage-Technik um lichtinduzierte molekulare Phänomene zu untersuchen. In vielen Forschungsgruppen ist die zeitaufgelöste optische Spektroskopie eine etablierte Methode und wird bezüglich vieler technischer Aspekte weiterentwickelt. Dennoch ist das volle Potential der für die Untersuchung photoempfindlicher Proben und die Beobachtung schneller makroskopischer Prozesse notwendigen Verkürzung der Datenaufnahmezeit, erreichbar mit hohen Laserwiederholraten und Schuss-zu-Schuss-Detektion, noch nicht vollständig ausgeschöpft worden. Die Schuss-zu-Schuss-Detektion ist insbesondere aufgrund der hohen Korrelation aufeinanderfolgender Laserpulse vorteilhaft.
Die Entwicklung und technische Umsetzung der breitbandigen Schuss-zu-Schuss-Datenaufnahme mit 100 kHz wurde in Kapitel 3 vorgestellt. An einem bekannten Laserfarbstoff als Referenzsystem wurden zum ersten Mal Dynamiken des angeregten Zustands mit breitbandiger Schuss-zu-Schuss-Detektion mit 100 kHz gemessen. Durch eine Analyse sowohl der Rauschcharakteristika des verwendeten Lasersystems als auch der Korrelation aufeinanderfolgender Pulse konnten die Vorzüge der Schuss-zu-Schuss-Datenaufnahme quantitativ bestimmt werden. In der verwendeten Softwareumgebung konnte die Messzeit, verglichen mit einem Lasersystem mit einer Wiederholrate von 1 kHz, um mindestens einen Faktor drei beschleunigt werden. Zum jetzigen Zeitpunkt sind die Datenverarbeitung und das Verfahren des mechanischen Lineartisches zur Zeitverzögerung die limitierenden Faktoren der Messzeitverkürzung. Dennoch hat die neue Schuss-zu-Schuss-Detektion das Potential die Messzeit um einen Faktor bis zu 100 zu verkürzen. Die Datenqualität wurde um einen Faktor drei verbessert, wenn das bisher verwendete konventionelle Mittelungsverfahren mit der Schuss-zu-Schuss-Aufnahme für die gleiche Anzahl an Laserpulsen verglichen wird. Die Ausweitung der Schuss-zu-Schuss-Datenaufnahme für hohe Wiederholraten wird die Untersuchung empfindlicher Proben erlauben, da die Belichtungszeit zur Erreichung desselben Signal-zu-Rausch-Verhältnisses stark reduziert werden kann. Des Weiteren kann das Schuss-zu-Schuss-Auslesen auf die multidimensionale Spektroskopie ausgeweitet werden, was auch hier eine effiziente Datenaufnahme erlaubt. Aufgrund dessen werden in künftigen Experimenten Dynamiken und Kopplungen in empfindlichen Proben und kinetischen Prozessen genauer untersucht werden können.
Komplexe photophysikalische und photochemische Phänomene sind Gegenstand vieler Forschungsgebiete. Etliche dieser vielschichtigen Prozesse sind noch nicht gänzlich verstanden. Eine mögliche Herangehensweise an dieses Problem ist die Aufklärung einzelner Reaktionsschritte mittels der Kombination von transienter Absorptionsspektroskopie mit geeigneten, weniger komplexen Modellsystemen. Die systematische Änderung der Eigenschaften und Umgebungen der Modellsysteme, beispielsweise durch chemische Substitution oder die Wahl eines geeigneten Lösungsmittels, erlaubt die Bestimmung wesentlicher Bestandteile und deren Reaktivitäten. Fundierte Kenntnis einzelner Zwischenschritte und deren bestimmende Faktoren können das Verständnis des lichtinduzierten Gesamtprozesses verbessern.
Die Anwendung der transienten Absorptionsspektroskopie auf den optisch-induzierten Elektronentransfer in einer Reihe von Donor-Akzeptor-Oligomeren wurde in Kapitel 4 gezeigt. Durch globale Datenanalyse wurden die Relaxationszeiten des Lösungsmittels von den Raten des Elektronenrücktransfers getrennt. In der kleinsten oligomeren Struktur welche eine vollständige Ladungstrennung erlaubt, führt eine ultraschnelle Gleichgewichtseinstellung zur Ladungsrekombination in der Konfiguration mit der kleinsten Rekombinationsbarriere. Der Elektronenrücktransfer hängt stark vom verwendeten Lösungsmittel ab. Während der Elektronenrücktransfer in Dichlormethan mit der maximalen Rate in der optimalen Region ohne Barriere stattfindet, ist die Dynamik in Toluol vom Effekt der Marcus-invertierten Region bestimmt. Die experimentell beobachteten Raten wurden durch theoretische Berechnung der jeweiligen Barrieren abgeschätzt. Diese Arbeit hat nicht nur erfolgreich den Ladungstransfer in den oligomeren System entschlüsselt, sondern auch das Verständnis der Elektronentransfereigenschaften größerer Polymere aus vorherigen Studien erweitert. Aus diesem Grund ist die Kombination der Längenvariation mit der zeitaufgelösten Spektroskopie ein wichtiger Schritt in Richtung der korrekten Vorhersage von Ladungsträgerdynamiken in makroskopischen Bauteilen, wie sie beispielsweise in der Photovoltaik verwendet werden.
Die Bindungsdissoziation eines Kohlenmonoxid-freisetzenden Moleküls (CORM) in wässriger Lösung wurde in Kapitel 5 als prototypische Reaktion für die lichtinduzierte Spaltung einer Bindung untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass nach Anregung nur ein Kohlenmonoxid-Ligand des Tricarbonyl-Komplexes abgespalten wird. Ein Teil der photolysierten Moleküle stellt den intakten Anfangskomplex durch paarweise Rekombination innerhalb der Zeitauflösung des Experiments wieder her. Dennoch konnte die paarweise Rekombination durch die Grundzustandsabsorption des schwingungsangeregten Komplexes im Infraroten detektiert werden. Das nach CO-Freisetzung beobachtete Dicarbonyl verteilt die Überschussenergie des absorbierten Photons auf Schwingungsmoden niedriger Frequenz, was zum Auftreten verbreiterter Absorptionsbanden f¨uhrt. Die freie Koordinationsstelle in der Ligandensphäre wird mit einem Wassermolekül aufgefüllt. Trotz zahlreicher Studien zu Metallcarbonylen in alkanischen Lösungsmitteln fügt die Aufklärung der Dynamiken des CORMs in wässriger Lösung ein wichtiges Detail der Photochemie dieser Verbindungsklasse hinzu. Experimente mit einem zweiten ultravioletten Anregepuls lösten keine weitere CO-Freisetzung und somit keine Bildung einer Monocarbonyl-Spezies aus. Der Grund hierfür mag entweder ein anderer Freisetzungsmechanismus ohne weiteren photochemischen Schritt oder eine große spektrale Verschiebung der Absorption des Dicarbonyls sein. Beide Gründe erklären, warum die Anrege-Wiederanrege-Abfrage-Spektroskopie keinen Effekt zeigt. Jedoch könnten weitere Experimente mit ultravioletten Abfragepulsen ergründen, ob das Dicarbonylintermediat photochemisch weiterreagiert oder nicht. Abgesehen vom Modellsystem-Charakter des CORMs für die Bindungsdissoziation konnte diese Untersuchung bestimmen, wie viele CO-Liganden ursprünglich freigesetzt werden. Die genaue Kenntnis des Freisetzungsmechanismus wird die bisherige Benutzung und Anwendung, sowie die zukünftige Entwicklung der CORMs als therapeutische Vorstufe zur Verabreichung hoher lokaler Konzentrationen an CO in karzinogenem und pathologischem Gewebe beeinflussen. Daher sollte die Untersuchung der Zweiphotonenabsorptionseigenschaften, welche für die in vivo Anwendung von CORMs eine wichtige Rolle spielen, in zukünftigen spektroskopischen Experimenten in den Vordergrund rücken.
In Kapitel 6 wurde eine Kombination aus beiden oben erwähnten molekularen Phänomenen, Elektronentransfer und Bindungsspaltung, untersucht. Die Photochemie eines Tetrazoliumsalzes wurde detailliert in einer Auswahl unterschiedlicher Lösungsmittel untersucht. Als relativ kleines Molekül zeigt das untersuchte Tetrazoliumkation eine vielfältige Photochemie und ist daher ein Paradebeispiel für die Untersuchung kombinierter ultraschneller Phänomene in unterschiedlichen Umgebungen. Innerhalb von Femtosekunden wird der Tetrazoliumring geöffnet. Die biradikalische Spezies wird dann durch Elektronenaufnahme aus dem Lösungsmittel reduziert. Die Bildung des ringoffenen Formazan-Photoprodukts an dieser Stelle der Reaktionssequenz wurde durch Experimente in saurer Lösung ausgeschlossen. Das ringoffene Radikal wird durch einen Ringschluss stabilisiert. Das daraus entstehende Tetrazolinyl-Radikal wurde bereits in Experimenten mit Mikrosekundenzeitauflösung beobachtet. Die Bildung in Echtzeit wurde jedoch in dieser Arbeit zum ersten Mal beobachtet. Die Beleuchtung einer Tetrazoliumsalzlösung führt in Abhängigkeit des Lösungsmittels zu unterschiedlichen Photoproduktverteilungen. Auf einer ultraschnellen Zeitskala haben indessen alle Photoprodukte das Tetrazolinyl-Radikal als gemeinsame Vorstufe. In Verbindung mit literaturbekannten Studien wurde in dieser Arbeit die gesamte photochemische Umsetzung eines Tetrazoliumsalzes aufgeklärt. Abgesehen von dem prototypischen Charakter der Reaktionssequenz wird der entschlüsselte Reaktionsmechanismus Einfluss auf die Forschung in den Lebenswissenschaften haben, in welchen Tetrazoliumsalz-basierte Prüfverfahren täglich zur Anwendung kommen, wobei bislang die photochemische Umsetzung und die photochemisch gebildeten reaktiven Intermediate außer Acht gelassen werden. Auf Grundlage der Photochemie des Tetrazoliumions kann die vielschichtige Photochemie des Formazan-Photoprodukts, welche Umlagerungen und erneute Bildung des Tetrazoliumions beinhaltet, Gegenstand zukünftiger Untersuchungen sein.
Diese Arbeit stellt die Methodenverbesserung und Anwendung der transienten Absorptionsspektroskopie auf beispielhafte Modellsysteme vor. Die Einblicke in die jeweiligen Forschungsgebiete beleuchteten nicht nur einzelne Aspekte, sondern müssen in einem wesentlich größeren Zusammenhang gesehen werden. In großen molekularen Systemen wie biologischen oder künstlichen Architekturen, welche beispielsweise in photosynthetischen Lichtsammelkomplexen und der Photovoltaik Anwendung finden, kann man sich dem grundsätzlichen Verständnis komplexer photoinduzierter Vorgänge und deren Vorhersage durch Untersuchung der zugrundeliegenden Teilschritte – mikroskopisch und auf ultraschnellen Zeitskalen – annähern.
KW  - Ultrakurzzeitspektroskopie
KW  - Pump-Probe-Technik
KW  - Fotochemie
KW  - Reaktionsmechanismus
KW  - Transient Absorption Spectroscopy
KW  - Femtosecond Spectroscopy
KW  - Femtochemistry
KW  - Molecular Phenomena
KW  - Transiente Absorptionsspektroskopie
KW  - Femtosekundenspektroskopie
KW  - Femtochemie
KW  - Molekulare Phänomene
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-118771
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rützel, Stefan
T1  - Pulse-Sequence Approaches for Multidimensional Electronic Spectroscopy of Ultrafast Photochemistry
T1  - Pulssequenzmethoden zur multidimensionalen elektronischen Spektroskopie ultraschneller Photochemie
N2  - Observing chemical reactions in real time with femtosecond laser pulses has evolved into a very popular � field of research since it provides fascinating insights into the nature of photochemical transformations. Nevertheless, many photochemical reactions are still too complex for which reason the underlying mechanisms and all engaged species cannot be identi� fied thoroughly. In these cases, conventional time-resolved spectroscopy techniques reach their technical limits and advanced approaches are required to follow the conversion of reactants to their products including all reaction intermediates.

The aim of this work was therefore the development of novel methods for ultrafast spectroscopy of photoreactive systems. Though the concept of coherent multidimensional spectroscopy has so far exclusively been used to explore photophysical phenomena, it also offers great potential for the study of photochemical processes due to its capability of extracting spectroscopic information along several frequency dimensions. This allows resolving the photochemical connectivity between various interconvertible molecular species with ultrafast temporal resolution on the basis of their absorption and emission properties as the spectral correlations are explicitly visualized in the detected spectra.

The ring-open merocyanine form of the photochromic compound 6-nitro BIPS was studied in Chap. 4 of this work. Merocyanines and their associated ring-closed spiropyrans are promising candidates for future applications as, for instance, molecular electronics or optical data storage due to their unique property of being switchable between two stable con� gurations via light illumination. Transient absorption with sub-50 fs temporal resolution and broadband probing was employed to characterize the photodynamics of this system with variable excitation wavelengths. Using global data analysis, it could be inferred that two different merocyanine isomers with differing excited-state lifetimes exist in solution. These isomers differ in the cis/trans con� guration in the last bond of the methine bridge. The minority of isomers exist in the all-trans con� guration (TTT) while the isomer with a cis con� guration of the third dihedral angle (TTC) is dominant. A characteristic band, detected after long pump-probe delays, was attributed to the unidirectional cis->trans photoisomerization reaction of the TTC to the TTT form. The quantum yield of the reaction was estimated to be (18� +-4) %. In addition, pronounced coherent vibrational wave-packet oscillations were observed and it was concluded that these signatures are related to the product formation.

Coherent two-dimensional electronic spectroscopy was successfully implemented using a partially collinear pump-probe beam geometry in combination with a femtosecond pulse shaper. The use of a whitelight probe continuum enabled us to probe contributions far-off the diagonal over the complete visible range. By properly adjusting the relative phase between the � first two laser pulses with the pulse shaper, the principle of phase-cycling was explained and it was demonstrated that the measurement can be carried out in the so-called "rotating frame" in which the observed frequencies detected during the coherence time are shifted to lower values. It was shown that these concepts allow the extraction of the desired background-free photon echo while the amount of necessary data points is highly reduced.

In order to put our proposal of multidimensional spectroscopy of photoreactive systems into practice, third-order two- and three-dimensional spectroscopy was then employed for an in-depth analysis of a photoreactive process, in which the photoisomerization of 6-nitro BIPS served as a model system. The measured two-dimensional spectra revealed the cis->trans photoisomerization after long population times. By collecting a large data set of two-dimensional spectra for short population times and by applying a Fourier transform along the population time axis, the third-order three-dimensional spectrum was obtained. The novelty of this approach compared to coherent two-dimensional spectroscopy is the introduction of a third axis associated with the vibrational frequencies of the molecular system. In this way, the formation of the reaction product was evidenced and it was shown that the product is formed in its fi� rst excited singlet state within 200 fs after excitation. This method hence visualizes the photochemical connections between different reactive molecular species in an intuitive manner and further exposes the normal modes connecting reactant and product. Such conclusions cannot be drawn with conventional third-order techniques such as transient absorption since they are
not capable of capturing the full third-order response, but only a subset of it. The reaction mechanism and the role of the observed vibrational modes were uncovered by comparing the experimental data with the results of high-level quantum-chemical calculations performed by our collaborators in the group of Prof. B. Engels from the
theoretical chemistry department at the University of Würzburg. Specifi� c calculated molecular normal modes could be assigned to the experimentally observed vibrational frequencies and potential energy surfaces of the electronic ground state and of the � first excited state were computed. The technique implemented in this chapter is general and is applicable for the time-resolved analysis of a wide range of chemical reaction networks.

In the fi� rst part of Chap. 5, coherent two-dimensional spectroscopy was employed to track the reaction paths of the related 6,8-dinitro BIPS after S1 excitation. Several differences to the photochemical properties of 6-nitro BIPS were found. From the 2D spectra, the cis-trans isomerization between the two merocyanine isomers could be excluded as a major reaction path for this compound. To explore the dynamics after reexcitation to higher-lying electronic states, pump-repump-probe spectroscopy was implemented and the formation of a new species, a radical cation, was observed. To identify the precursor isomer, triggered-exchange two-dimensional spectroscopy, a � fifth-order technique previously only available in the infrared regime for vibrational transitions, was implemented for the fi� rst time for electronic excitations in the visible. This approach combines the properties of the pump-repump-probe technique with the potential of coherent two-dimensional spectroscopy. It correlates the absorption frequency of a reactive molecular species with the emission signatures of the product formed from this species after an additional absorption of a photon. Using this method, it was unambiguously proven that only the TTC isomer reacts to the radical cation thus forming the precursor species of the reaction. Electronic triggered-exchange two-dimensional spectroscopy is hence another improved technology for time-resolved spectroscopy with applications in the study of multistep photoreactions and higher-lying electronic states. While in the two preceding chapters third- and � fifth-order experiments were discussed that neglect the vectorial character of light-matter interactions, Chap. 6 focused on a novel theoretical formalism enabling the description of light fi� elds optimized for polarization-sensitive higher-order nonlinearities. This formalism is based on the von Neumann time-frequency representation of shaped femtosecond laser pulses which permits the defi� nition of multipulse sequences on a discrete time-frequency lattice. Hence, not only the temporal spacing between subpulses is adjustable, but also the center frequencies may be adapted such that they � fit the experimental requirements. This method was generalized to the description of pulse sequences with time-varying polarization states. It was shown that by using this description, the polarization ellipticity, orientation angle, relative phase and intensity, and the time-frequency location of each subpulse is explicitly controllable. The accuracy of the transformations from Fourier space to von Neumann domain and vice versa was demonstrated. Moreover, a strict accordance between the von Neumann polarization parameters with the conventional parameters in time domain was found for well separated subpulses. A potential future application of this approach is polarization-sensitive multidimensional spectroscopy in which hidden cross peaks may be isolated by de� fining the pulses in the von Neumann picture with suitable polarization sequences. This method could also be used in quantum control experiments in which the polarization of the light fi� eld is used as a major control knob.

This thesis summarizes our efforts to open the � field of femtochemistry to the concept of coherent multidimensional electronic spectroscopy. Making use of femtosecond pulse shaping, sub-50 fs temporal resolution, broadband spectral probing, higher-order nonlinearities, and new types of laser pulse descriptions, the presented methods might stimulate further future advancements in this research area.
N2  - Mit Hilfe von Femtosekundenlaserpulsen lassen sich chemische Reaktionen in Echtzeit beobachten, was sich zu einem äußerst populären Forschungsgebiet entwickelt hat, welches faszinierende neue Einblicke in die Natur von photochemischen Transformationen ermöglicht. Nichtdestotrotz sind nach wie vor viele photochemische Reaktionen zu komplex, um die zugrunde liegenden Mechanismen entschlüsseln und alle beteiligten Spezies einwandfrei identifizieren zu können. In diesen Fällen stoßen die konventionellen zeitaufgelösten Techniken an ihre Grenzen, sodass verbesserte Ansätze notwendig sind um der Konversion der Edukte zu den Produkten mit allen reaktiven Zwischenprodukten in Gänze folgen zu können.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war deshalb die Entwicklung neuartiger Methoden in der Ultrakurzzeitspektroskopie photoreaktiver Systeme. Obwohl das Konzept der kohärenten multidimensionalen Spektroskopie bisher ausschließlich zur Erforschung photophysikalischer Phänomene eigesetzt wurde, birgt es angesichts seiner Fähigkeit, spektroskopische Informationen entlang mehrerer Frequenzachsen zu extrahieren, auch großes Potenzial für die Untersuchung photochemischer Prozesse. Diese Eigenschaft ermöglicht die Auflösung des photochemischen Austauschs zwischen untereinander verknüpften molekularen Spezies durch ihre Emissions- und Absorptionseigenschaften, da die spektralen Korrelationen in den gemessenen Spektren unmittelbar visualisiert werden.
In Kap. 4 dieser Arbeit wurde die ringgeöffnete Merocyaninform der photochromen Verbindung 6-nitro BIPS untersucht. Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaft, durch Lichteinstrahlung zwischen zwei stabilen Konfigurationen umschalten zu können, sind Merocyanine und ihre assoziierten ringgeschlossenen Spiropyrane vielversprechende Kandidaten für zukünftige Anwendungen auf dem Gebiet der molekularen Elektronik und der optischen Datenspeicherung. Die Photodynamiken dieses Systems wurden mit Hilfe der transienten Absorptionstechnik mit einer zeitlichen Auflösung von unter 50 fs und spektral breitbandiger Abfrage charakterisiert. Die globale Datenanalyse ergab hierbei, dass in Lösung zwei unterschiedliche Merocyaninisomere mit unterschiedlichen Lebensdauern der angeregten Zustände vorliegen. Diese Isomere unterscheiden sich in der cis/trans-Anordnung der letzten Bindung der Methinbrücke. Hierbei stellt das Isomer mit trans-trans-trans Konfiguration (TTT) die Minderheit dar, während die Mehrzahl der Moleküle eine cis-Stellung im dritten Diederwinkel aufweist (TTC). Eine charakteristische spektrale Bande, welche nach langen Pump-Probe-Verzögerungszeiten detektiert wurde, konnte der einfachgerichteten cis->trans Photoisomerisierungsreaktion der TTC Form zum TTT zugeordnet werden. Die Quantenausbeute dieser Reaktion wurde auf (18+-4) % bestimmt. Darüber hinaus wurden stark ausgeprägte Oszillationen eines kohärenten Vibrationswellenpakets beobachtet wobei geschlussfolgert wurde, dass diese Signaturen mit der Entstehung des Reaktionsprodukts zusammenhängen.
Die Technik der kohärenten zweidimensionalen elektronischen Spektroskopie wurde auf Basis einer partiell kollinearen Pump-Probe Strahlgeometrie und in Kombination mit einem Femtosekundenpulsformer erfolgreich implementiert. Dabei ermöglichte die Verwendung eines Weißlichtkontinuums als Abfragepuls auch die Erfassung von Beiträgen, welche weit entfernt von der Diagonalen lokalisiert sind und sich über den gesamten sichtbaren Spektralbereich erstrecken. Durch eine geeignete Anpassung der relativen Phase zwischen den ersten beiden Laserpulsen mit Hilfe des Pulsformers konnte das Prinzip des „phase cyclings" umgesetzt werden. Darüber hinaus wurde demonstriert, dass die Messung im sogenannten „rotating frame" durchgeführt werden kann wobei die Oszillationsfrequenzen, welche während der Kohärenzzeit detektiert werden, zu niedrigeren Werten verschoben werden. Es wurde gezeigt, dass mit diesen Konzepten das erwünschte hintergrundfreie Photonenecho extrahiert und darüber hinaus das Signal mit einer deutlich niedrigeren Anzahl an notwendigen Datenpunkten erfasst werden kann.
Um unsere Idee der multidimensionalen Spektroskopie an photoreaktiven Systemen in die Praxis umzusetzen, wurde anschließend die zwei- und dreidimensionale Spektroskopie dritter Ordnung zur eingehenden Untersuchung eines photoreaktiven Prozesses angewandt, wobei die Photoisomerisierungsreaktion von 6-nitro BIPS als Modellreaktion herangezogen wurde. Die gemessenen zweidimensionalen Spektren offenbarten unmittelbar die cis->trans Photoisomerisierung nach längeren Populationszeiten. Das dreidimensionale Spektrum dritter Ordnung konnte generiert werden, indem ein großer Datensatz an zweidimensionalen Spektren für kleine Populationszeiten aufgenommen und anschließend die Fouriertransformation entlang der Populationszeitachse bestimmt wurde. Die Neuartigkeit dieses Verfahrens besteht darin, dass eine dritte Achse eingeführt wird, welche mit der Schwingungsfrequenz des molekularen Systems assoziiert ist. Dadurch konnte die Entstehung des Reaktionsprodukts eindeutig belegt werden. Außerdem konnte so gezeigt werden, dass es innerhalb von 200 fs im ersten angeregten Singulettzustand erzeugt wird. Somit vermag diese Methode einerseits die photochemischen Beziehungen zwischen unterschiedlichen reaktiven Spezies auf intuitive Art und Weise zu visualisieren und andererseits ermöglicht sie die Enthüllung derjenigen Normalschwingungen, welche Edukt und Produkt miteinander verbinden. Derartige Schlussfolgerungen können nicht mit konventionellen Techniken dritter Ordnung, wie beispielsweise der transienten Absorption, gezogen werden, da sie nicht in der Lage sind die vollständige Antwortfunktion dritter Ordnung, sondern lediglich ein Teil davon, zu erfassen. Durch Abgleich der experimentellen Daten mit den Resultaten von umfassenden quantenchemischen Berechnungen unserer Kollaborationspartner der Gruppe von Prof. B. Engels aus dem Fachbereich der theoretischen Chemie der Universität Würzburg, konnten der Reaktionsmechanismus sowie die Rolle der beobachteten Vibrationsmoden entschlüsselt werden. Dabei konnten spezifische berechnete Normalschwingungen den experimentell beobachteten Frequenzen zugeordnet und die Potentialhyperflächen des elektronischen Grundzustands und des ersten angeregten Zustands bestimmt werden. Die Technik, welche in diesem Kapitel eingesetzt wurde, ist universell und zur zeitaufgelösten Untersuchung einer großen Zahl an chemischen Reaktionsnetzwerken anwendbar.
Im ersten Teil von Kap. 5 wurden die Reaktionspfade der sehr ähnlichen Verbindung 6,8-dinitro BIPS nach S1-Anregung mittels kohärenter zweidimensionaler Spektroskopie untersucht. Dabei zeigten sich zahlreiche Unterschiede zu den photochemischen Eigenschaften von 6-nitro BIPS. Auf Basis der 2D Spektren konnte für diese Verbindung die cis-trans Isomerisierung zwischen den beiden Merocyaninisomeren als bedeutender Reaktionspfad ausgeschlossen werden. Zur Erforschung der Dynamik nach der Wiederanregung in höher angeregte elektronische Zustände, wurde die Anrege-Wiederanrege-Abfrage Spektroskopie implementiert, wobei die Bildung einer neuen Spezies – des
Radikalkations – beobachtet wurde. Zur Identifikation des Vorläuferisomers wurde die Technik der zweidimensionalen Spektroskopie mit ausgelöster Umwandlung ("triggered-exchange 2D", TE2D) erstmals mit elektronischen Anregungen im Sichtbaren realisiert. Bisher stand diese Technik ausschließlich im infraroten Spektralbereich für Vibrationsübergänge zur Verfügung. Diese Methode vereinigt die Eigenschaften der Anrege-Wiederanrege-Abfrage Technik mit dem Leistungsvermögen der kohärenten zweidimensionalen Spektroskopie. Sie stellt die Korrelation zwischen der Absorptionsfrequenz einer reaktiven molekularen Spezies mit der Emissionssignatur eines Produkts dar, welches von der ersten Spezies durch die zusätzliche Absorption eines weiteren Photons erzeugt wurde. Durch die Zuhilfenahme dieser Methode konnte eindeutig gezeigt werden, dass nur das TTC Isomer zum Radikalkation reagiert, weshalb es somit als Vorläuferisomer der Reaktion aufgefasst werde kann. Die elektronische TE2D Spektroskopie stellt somit eine weitere verbesserte Technologie in der zeitaufgelösten Spektroskopie mit möglichen Anwendungen bei der Untersuchung von mehrstufigen Photoreaktionen und höher angeregten elektronischen Zuständen dar.
Während in den beiden vorhergehenden Kapiteln Experimente dritter und fünfter Ordnung unter Vernachlässigung des vektoriellen Charakters von Licht-Materie-Wechselwirkungen diskutiert wurden, befasste sich Kap. 6 mit einem neuartigen theoretischen Formalismus, welcher die Beschreibung von Lichtfeldern ermöglicht, welche für polarisationssensitive Nichtlinearitäten höherer Ordnung optimiert sind. Dieser Formalismus basiert auf der von Neumann Zeit-Frequenz Darstellung von geformten Laserpulsen, welche es gestattet, Mehrfachpulssequenzen auf einem diskreten Zeit-Frequenz Gitter zu definieren. Somit kann nicht nur der zeitliche Abstand zwischen den Teilpulsen eingestellt, sondern auch die Zentralfrequenz derart angepasst werden, dass sie den experimentellen Ansprüchen gerecht wird. Diese Methode wurde für die Beschreibung von Pulsformen mit einem zeitabhängigen Polarisationsprofil verallgemeinert. Es wurde gezeigt, dass mit Hilfe dieser Darstellung die Elliptizität, der Orientierungswinkel, die relative Phase und Intensität der Polarisationsellipse, sowie die Zeit-Frequenz Position jedes einzelnen Teilpulses explizit kontrolliert werden können. Die Genauigkeit der Transformationen vom Fourier- in den von Neumann Raum und wieder zurück wurde demonstriert. Überdies wurde festgestellt, dass im Falle von deutlich getrennten Teilpulsen die von Neumann Parameter exakt mit den konventionellen Polarisationsparametern im Zeitraum übereinstimmen. Eine der möglichen zukünftigen Anwendungen dieser Methode ist die polarisationssensitive multidimensionale Spektroskopie, mit deren Hilfe verborgene Cross Peaks durch die Definition der Pulssequenz in der von Neumann Darstellung unter Verwendung geeigneter Polarisationsabfolgen isoliert werden können. Dieser Formalismus könnte außerdem bei Quantenkontrollexperimenten Anwendung finden, bei denen die Polarisation des Lichtfelds der entscheidende Kontrollparameter darstellt.
Diese Dissertation fasst unsere Bemühungen zusammen, das Feld der Femtochemie auch für das Konzept der multidimensionalen Spektroskopie zu eröffnen. Durch die Verwendung der Femtosekundenpulsformung, einer zeitlichen Auflösung von unter 50 fs, spektral breitbandiger Abfrage, Nichtlinearitäten höherer Ordnung sowie das Ausnutzen neuartiger Beschreibungen von Laserpulsen könnten die präsentierten Methoden Anreize für weitere zukünftige Entwicklungen auf diesem Forschungsgebiet schaffen.
KW  - Ultrakurzzeitspektroskopie
KW  - femtosecond spectroscopy
KW  - multidimensional spectroscopy
KW  - ultrafast photochemistry
KW  - quantum control
KW  - Femtosekundenspektroskopie
KW  - Multidimensionale Spektroskopie
KW  - Ultraschnelle Photochemie
KW  - Quantenkontrolle
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-98993
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rudolf, Philipp Benjamin
T1  - Uncovering photoinduced chemical reaction pathways in the liquid phase with ultrafast vibrational spectroscopy
T1  - Untersuchungen von photoinduzierten chemischen Reaktionspfaden in flüssiger Phase mittels ultraschneller Schwingungsspektroskopie
N2  - The experimental technique predominantly employed within the scope of this Thesis constitutes one subarea of femtochemistry: the time-resolved spectroscopy of photoin-
duced chemical reactions in the liquid phase by means of molecular signatures in the mid-infrared (MIR) spectral range. Probing transient vibrational states, i.e., dynamic
changes in the vibrational motion of speci� c molecular subunits or functional Groups allows for a distinct separation and assignment of measured signals to emerging molecular species. For this purpose, one key building block is indispensable, which most of the investigations carried out within the � eld of femtochemistry have in common: a coherent light source delivering ultrashort laser pulses with a temporal duration that matches the femtosecond time scale on which molecular motions typically occur. This instrumentation enables the observation of photoinduced chemical reactions from the
starting point|the excitation event to the appearance of intermediates to the nal formation of stable photoproducts after several pico- or nanoseconds.
This work comprises the acquisition and presentation of time-resolved spectroscopic data related to promising molecular systems upon photoexcitation as well as the im-
plementation and testing of experimental optical techniques both for the presented experiments but as well for experiments conceivable in the future. In addition, linear spectroscopy measurements and quantum-chemical simulations on the emerging chemical species have been carried out. In so doing, the primary processes and subse-
quently emerging reaction products of two compounds on a timescale of several nanoseconds after photoexcitation have been elucidated in great detail. Both compounds, the
[Mn(CO)3(tpm)]+ (tpm = tris(2-pyrazolyl)methane) CO-releasing molecule (CORM) and the 5-diazo Meldrum's acid (DMA), are of academic interest but in addition belong
to molecular classes that might be utilized in the near future as dark-stable prodrugs under physiological conditions or that are already utilized in industrial chemistry procedures, respectively. The � ndings of both studies gave rise to implement and examine two techniques for prospective transient absorption experiments, namely the shaping and characterization of ultraviolet (UV) laser pulses and the recording of two-photon excitation spectra. Beyond that, since each of the depicted experiments is based on the detection of weak transient absorption signals in the MIR spectral region, two dif-
ferent detection schemes, via chirped-pulse upconversion (CPU) on the one hand and via direct multichannel MCT detection on the other hand, have been juxtaposed at the
conclusion of this work. Since both techniques are suitable in femtosecond pump-probe measurements but thereby exhibit individual strengths and weaknesses, a comparative study provides clari� cation of the respective pros and cons. The � first study introduced within this work investigates the complex photochemistry
of DMA, a photoactive compound used in lithography and industrial chemistry. By femtosecond MIR transient absorption spectroscopy covering several nanoseconds, the
light-induced dynamics and ultrafast formation of several photoproducts from the manifold of reaction pathways have been disclosed to form a coherent picture of the overall
reaction scheme. After UV excitation of DMA dissolved in methanol to the second excited state S2, 70% of excited molecules relax back to the S0 ground state. In compet-
ing processes, they can either undergo an intramolecular Wolff rearrangement to form ketene, which reacts with a solvent molecule to an enol intermediate and further to carboxylate ester, or they � rst relax to the DMA S1 state, from where they can isomerize to a diazirine. The third competing reaction channel, having the lowest quantum efficiency with respect to the � rst two channels, is the formation of a singlet carbene out of the S1 state. From there an ylide can arise or, via an intersystem crossing, the triplet form of the carbene follows. Whereas the primary reaction steps occur on a picosecond timescale, the subsequently arising intermediates and stable photoproducts are formed
within a few hundreds to thousands of picoseconds. For a reliable identi� cation of the involved compounds, density functional theory calculations on the normal modes and
Fourier-transform infrared spectroscopy of the reactant and the photoproducts in the chemical equilibrium accompany the analysis of the transient spectra. Additional experiments in ethanol and isopropanol led to slight spectral shifts as well as elongated time
constants due to steric hindrance in transient spectra connected with the ester Formation channel, further substantiating the assignment of the occurring reaction pathways and photoproducts.
The study demonstrated that the combination of linear and time-resolved spectroscopic measurements in conjunction with quantum-chemical calculations constitutes a powerful tool to unravel even highly complex photoreactions exhibiting multiple consecutive intermediate states within parallel reaction pathways. Although some of the individual reaction steps, for example the ketene formation via Wolff rearrangement, have been observed on ultrashort time scales before, this work encompassed the Observation of the whole set of appearing photoproducts of DMA in different alcohol solutions within several nanoseconds. In this sense, the ultrafast photochemistry of DMA represents a prototype example for a multisequential reaction scheme, elucidated by the capabilities of femtosecond MIR spectroscopy.
With a modi� fied instrumentation concerning amongst others the system delivering the fundamental laser pulses or the generation of the UV pump pulses, the next ob-
jective within this work was to elucidate the primary processes upon UV Irradiation of a manganese tricarbonyl CORM in aqueous environment. The time-resolved
experiment was performed with two different pump wavelengths and furthermore supported by linear spectroscopy methods and time-dependent density functional theory (TDDFT) calculations on the excited states as well as DFT calculations on the ground
states. The measurements revealed that irradiating the compound with UV excitation pulses primarily leads to ultrafast photolysis of one CO ligand. Geminate recombination may occur within one picosecond but it remains a minor process as the photolyzed CO
group is liberated and the unoccupied coordination site is predominantly fi� lled by an incoming solvent molecule. There was no evidence for hot CO bands, i.e., the remaining CO ligands|in the dicarbonyl photoproduct as well as in the intact CORM are not vibrationally excited through the UV excitation of the CORM. According to this, the excess energy merges into low-frequency vibrational modes associated with the molecule as a whole. Since studies on a macroscopic scale at irradiation times of several minutes prove that UV irradiation eventually leads to the release of two or even all three CO
ligands, further loss of CO most likely necessitates manganese oxidation or another interaction with light. To clarify the latter, a consecutive UV pulse was employed in order to excite the photoproducts subsequent to the initial pump interaction. However, the data obtained was not instructive enough to de� nitely exclude the manganese oxidation being responsible for the loss of further CO groups. Besides the exchange of a CO Group by a solvent molecule or the geminate recombination, the employment of two different excitation wavelengths in combination with � ndings derived from the TDDFT calculations suggested another reaction process, namely the possibility that the excitation does not lead to any bond cleavage at all. As the CORM under investigation is tissue-selective and cytotoxic against cancer cells, knowledge of these � rst photoinduced reaction steps is essential for a full understanding of its biological activity. Inspired by these two studies, experimental techniques for prospective transient absorption measurements have been implemented and tested within preparative measure-
ments. First, in the course of a UV-pump-MIR-probe experiment with speci� cally tailored excitation pulses, one could pursue the aim of coherently controlling the outcome of a photoreaction in the liquid phase. Out of the rich photochemistry of DMA the vibrational signature of a particular molecular species might thereby serve as a feedback signal, which is a central part of a learning loop that adaptively determines the pulse shape that steers the quantum mechanical system upon photoexcitation into a desired direction. This motivated the installation and testing of devices by means of which the shaping and characterization of ultrashort laser pulses in the UV could be performed. Second, motivated by the biological applications of CORMs, one can imagine a scenario where a certain amount of CORMs is deposited inside cancerous tissue. Since the activation of CO loss by means of UV pulses is not possible due to the absorption characteristics of biological tissue, the simultaneous excitation via two photons from the visible spectral regime seems appealing. However, success or failure of such an application depends on whether the deposited compound efficiently absorbs two photons simultaneously, i.e., whether the two-photon absorption cross section is large enough. Therefore, a setup to record two-photon excitation spectra under full consideration of
the crucial laser pulse parameters like the pulse duration, energy and central wavelength was arranged and tested. The � rst results were obtained with a commercially available reference system (Mn2CO10) but the setup as well as the described measurement and
data analysis procedure can easily be applied to record the two-photon absorption cross section of more promising molecular systems. Third, as the detection of probe pulses
in the MIR spectral region is part of each time-resolved measurement throughout this thesis, a comparison between the newly established technique of CPU and direct multi-
channel MCT detection is presented by means of pump{probe experiments on Mn2CO10 and Co4CO12 with a 1 kHz shot-to-shot data acquisition. It was shown that the CPU detection technique scores with its high spectral resolution and coverage of the easy-to-handle and more cost-effective CCD detectors. On the other hand, in the course of the additional nonlinear upconversion process intensity fluctuations of the chirped fundamental pulses are transferred to the probe spectrum in the visible regime. This entails a lower signal-to-noise ratio than the direct MCT detection, which can be compensated by an additional normalization procedure applied to the CPU probe pulses. As a consequence, the CPU detection scheme offers more flexibility for future investigations
employing MIR probe pulses. This is of great importance for many applications within the presented � eld of femtochemistry as a huge variety of time-resolved investigations on a multitude of systems in the liquid phase is based on the detection of weak transient
absorption signals in the MIR spectral region.
N2  - Die vorrangig im Rahmen dieser Arbeit eingesetzte experimentelle Technik stellt ein Teilgebiet der Femtochemie dar: die zeitaufgelöste Spektroskopie photoinduzierter chemischer Reaktionen in flüssiger Phase durch molekulare Charakteristika im mittleren infraroten (MIR) Spektralbereich. Die Detektion transienter Vibrationszustände, das heißt sich zeitlich verändernder Kernbewegungen von bestimmten molekularen Untereinheiten oder funktionellen Gruppen, ermöglicht es, Messsignale zu differenzieren und auftretenden Molekülspezies genau zuzuordnen. Zu diesem Zweck ist ein zentrales Element unabdingbar, das die meisten Experimente im Forschungsgebiet der Femtochemie gemein haben: eine kohärente Lichtquelle, die ultrakurze Laserpulse generiert, welche eine zeitliche Dauer auf der Femtosekunden-Zeitskala besitzen auf welcher sich Kernbewegungen typischerweise abspielen. Dieses Instrument ermöglicht die Beobachtung von photoinduzierten chemischen Reaktionen von dem Startpunkt an -- der eigentlichen Anregung -- über das Auftreten von Zwischenprodukten bis hin zu der abschließenden Herausbildung von stabilen Photoprodukten nach mehreren Piko- oder Nanosekunden.

Die vorliegende Arbeit umfasst die Beschreibung der Aufnahme und die Darstellung von zeitaufgelösten spektroskopischen Daten an molekularen Systemen, die vielversprechende Eigenschaften nach einer optischen Anregung zeigen. Darüber hinaus beschreibt sie den Aufbau und die Prüfung von experimentellen optischen Messmethoden, die sowohl für die hier präsentierten als auch für zukünftige, erweiterte Experimente der Anrege-Abfrage-Spektroskopie dienen. Zusätzlich wurden lineare Absorptionsmessungen und quantenchemische Simulationen mittels der Dichtefunktionaltheorie (DFT) durchgeführt, um auftretende chemische Spezies eindeutig identifizieren zu können. Auf diese Weise wurden sowohl die anfänglichen Reaktionsschritte als auch die darauffolgenden Reaktionsprodukte zweier Stoffe auf einer Zeitskala von mehreren Nanosekunden nach einer Photoanregung sehr detailliert dargestellt. Die untersuchten Substanzen sind zum einen [Mn(CO)3(tpm)]+ (tpm = tris(2-pyrazolyl)methan), das zur Gruppe der sogenannten CO-releasing molecules (CORM) gehört, und zum anderen 5-Diazo-Meldrumsäure (DMA). Beide sind von akademischem Interesse, gehören darüber hinaus aber zu anwendungsbezogenen Stoffgruppen, die im Falle der CORMs in naher Zukunft als Prodrug unter physiologischen Bedingungen eingesetzt werden könnten. Im Falle des DMA gibt es bereits Anwendungen in der chemischen Industrie. Die Erkenntnisse dieser beiden Untersuchungen führten hinsichtlich zukünftiger Anrege-Abfrage-Studien zu dem Aufbau und der Inbetriebnahme zweier weiterer experimenteller Techniken, die einerseits der Formung und Charakterisierung von Femtosekundenlaserpulsen im ultravioletten (UV) Spektralbereich und andererseits zur Aufnahme von Zwei-Photonen-Anregespektren dienen. Da jedes der dargestellten Experimente auf der Detektion von schwachen transienten Absorptionssignalen im MIR Spektralbereich beruht, wurden des Weiteren am Ende dieser Arbeit zwei verschiedene Aufnahmemethoden gegenübergestellt: die Detektion mittels der Aufkonversion durch gechirpte Laserpulse (chirped-pulse upconversion, CPU) und die direkte Detektion von MIR-Laserpulsen mittels eines Arrays von Quecksilber-Cadmium-Tellurid-Detektoren (mercury cadmium telluride, MCT). Da beide Detektionstechniken für die Anrege-Abfrage-Spektroskopie geeignet sind, dabei jedoch unterschiedliche Stärken und Schwächen zeigen, schaffte die vergleichende Untersuchung diesbezüglich Klarheit.

In der ersten Studie wurde die komplexe Photochemie von DMA untersucht, das als photoaktive Substanz in lithographischen Prozessen verwendet wird. Mit transienter MIR-Absorptionsspektroskopie wurden die lichtinduzierte Bildung und ultraschnellen Dynamiken von zahlreichen Photoprodukten innerhalb eines Zeitfensters von einigen Nanosekunden enthüllt. Dies lieferte ein stimmiges Bild des gesamten Reaktionsschemas, welches aus mehreren Reaktionspfaden besteht. Durch einen UV-Laserpuls wird in Methanol gelöstes DMA in den zweiten elektronischen Zustand S2 angeregt. 70% dieser Moleküle relaxieren wieder in den Grundzustand S0, die restlichen 30% verteilen sich auf drei konkurrierende Reaktionspfade. Zum einen können die angeregten Moleküle über eine intramolekulare Wolff-Umlagerung zu Keten umgeformt werden. Dieses wiederum lagert ein Lösungsmittelmolekül an und bildet damit ein Enol als vorübergehenden Zwischenzustand. Schließlich tautomerisiert daraus Carbonsäureester. Zum anderen relaxiert ein Teil der angeregten Moleküle zunächst in den S1-Zustand des DMA, von wo aus eine Isomerisierung zu Diazirin stattfindet. Der dritte parallele Reaktionspfad weist im Vergleich zu den ersten beiden die geringste Quanteneffizienz auf und führt über den S1-Zustand zu einem Singulett-Carben. Dieses kann sich einerseits zu einem Ylid umwandeln, oder mittels eines Intersystem Crossing in ein Triplett-Carben übergehen. Während die primären Reaktionsschritte innerhalb einiger Pikosekunden ablaufen, werden die daraufhin erscheinenden Zwischenzustände und Endprodukte innerhalb einiger hundert bis tausend Pikosekunden gebildet. Für eine zuverlässige Identifizierung der involvierten Molekülspezies wurde die Analyse der zeitaufgelösten Daten sowohl durch DFT-Simulationen als auch durch lineare Absorptionsmessungen ergänzt. Beide Methoden lieferten wichtige Informationen über die Absorptionscharakteristika des Edukts sowie der auftretenden Zwischen- und Endprodukte. Wegen der sterischen Hinderung zeigten weitere zeitaufgelöste Absorptionsmessungen an in Ethanol oder Isopropanol gelöstem DMA geringe spektrale Verschiebungen und auch verlängerte Zeitkonstanten im Falle der Reaktionsprodukte, die mit der Bildung des Ester verbunden waren. Dies untermauerte um ein Weiteres die Zuordnung der jeweiligen Reaktionspfade und Photoprodukte. 

Die Studie an DMA zeigte, dass die Kombination aus linearer und zeitaufgelöster Spektroskopie in Verbindung mit quantenchemischen Berechnungen ein mächtiges Werkzeug darstellt, um sogar äußerst komplexe Photoreaktionen zu entschlüsseln, die mehrere aufeinanderfolgende Zwischenzustände innerhalb parallel verlaufender Reaktionspfade aufweisen. Obwohl einige der einzelnen Reaktionsschritte wie zum Beispiel die Bildung des Ketens nach der Wolff-Umlagerung bereits auf ultrakurzen Zeitskalen untersucht wurden, umfasst diese Arbeit die Beobachtung aller auftretenden Photoprodukte des DMA gelöst in verschiedenen Alkoholen innerhalb einiger Nanosekunden nach der Photoanregung. In diesem Sinne stellt die ultraschnelle Photochemie von DMA ein Musterbeispiel für ein multisequentielles Reaktionsschema dar, das dank der Stärken der zeitaufgelösten MIR-Absorptionsspektroskopie entschlüsselt werden konnte.

Mit einer modifizierten experimentellen Ausstattung, unter anderem die Systeme betreffend, welche die Fundamentalstrahlung oder die UV-Anregungspulse generierten, war das nächste Ziel dieser Arbeit die primären photoinduzierten Prozesse eines Tricarbonylmangan-CORM in wässriger Lösung zu erforschen. Die zeitaufgelösten Experimente wurden mit zwei verschiedenen UV-Anregungswellenlängen durchgeführt und zusätzlich unterstützt durch lineare Absorptionsmessungen und zeitaufgelöste DFT-Berechnungen (TDDFT) der angeregten elektronischen Zustände sowie DFT-Berechnungen der Grundzustände. Die Messungen zeigten, dass die UV-Anregung der Substanz in erster Linie die ultraschnelle Photolyse einer einzelnen Carbonylgruppe zur Folge hat. Eine geminale Rekombination zum ursprünglichen Komplex kann innerhalb einer Pikosekunde auftreten. Jedoch ist dies ein untergeordneter Prozess, da die abgetrennte Carbonylgruppe freigesetzt wird und die unbesetzte Koordinationsstelle vorrangig von einem Lösungsmittelmolekül belegt wird. Sogenannte heiße Carbonyl-Absorptionsbanden wurden nicht detektiert. Das bedeutet, dass die verbleibenden CO-Liganden -- sowohl im Falle des Dicarbonyl-Photoprodukts als auch im Falle des intakten CORM -- durch die Anregungspulse nicht vibrationsangeregt werden. Demnach wird die Überschussenergie in Vibrationsmoden mit geringer Frequenz transferiert, was einer Schwingung des gesamten Moleküls entspricht. Da Untersuchungen auf makroskopischer Ebene mit Bestrahlungszeiten von mehreren Minuten zeigen, dass UV-Anregung letztlich zur Freisetzung von zwei oder sogar allen drei CO-Liganden führt, bedarf es zur weiteren Photolyse von CO höchstwahrscheinlich einer Oxidation des Mangan oder einer weiteren Wechselwirkung mit Licht. Um letzteres aufzuklären, wurde ein zweiter UV-Anregungspuls in Folge des ersten Anregungspulses eingesetzt. Dieser zweite Puls sollte die Photoprodukte des ersten Pulses noch einmal anregen. Jedoch waren die daraus erhaltenen Messdaten nicht aufschlussreich genug, um die Manganoxidation als Ursache für den Verlust von weiteren CO-Liganden ausschließen zu können. Neben dem Austauch einer CO-Gruppe mit einem Lösungsmittelmolekül sowie der geminalen Rekombination, wurde durch den Einsatz zwei verschiedener Anregungswellenlängen in Verbindung mit den Ergebnissen der TDDFT-Berechnungen die Möglichkeit eines weiteren Reaktionspfades entdeckt: es ist auch möglich, dass die Anregung des CORM zu überhaupt keinem Bindungsbruch führt und insofern ein Teil der angeregten Moleküle völlig intakt bleibt. Da bereits bekannt war, dass das untersuchte CORM gewebsselektiv ist und zytotoxisch gegenüber Krebszellen wirkt, sind die gesammelten Erkenntnisse bezüglich der primären photoinduzierten Reaktionsschritte essentiell, um die biologische Aktivität der Substanz vollständig zu verstehen.

Angeregt durch diese beiden Studien wurden experimentelle Techniken für weiterführende transiente Absorptionsmessungen implementiert und in vorbereitenden Messungen getestet. Erstens, im Rahmen eines UV-Anrege-MIR-Abfrage-Experiments mit speziell geformten Anregungspulsen könnte man das Ziel verfolgen, mittels kohärenter Kontrolle den Ausgang einer Photoreaktion in flüssiger Phase zu steuern. Dazu benötigt man ein Rückkopplungssignal, das als ein zentrales Element einer Lernschleife darüber Aufschluss gibt, ob die iterativ angepassten Pulsformen den Reaktionsverlauf in die gewünschte Richtung lenken. Eines der zahlreichen Absorptionssignale der reichhaltigen Photochemie von DMA kann dabei als Rückkopplungssignal dienen. Dieser Ansatz motivierte den Aufbau und erste Tests von Instrumenten, mit denen die Formung und Charakterisierung von ultrakurzen UV-Laserpulsen durchführbar ist. Als zweites, wegen der biologischen Anwendungsmöglichkeiten von CORMs, kann man sich eine Situation vorstellen, in der eine gewisse Menge an CORMs in krebsartigem Gewebe deponiert wird. Da die Aktivierung der zytotoxischen CO-Abgabe durch UV-Laserpulse wegen des Absorptionsverhaltens von biologischem Gewebe nicht möglich ist, wäre es naheliegend die Anregung durch zwei gleichzeitig aufgenommene Photonen im sichtbaren Spektralbereich durchzuführen. Jedoch hängen Erfolg oder Misserfolg einer solchen Anwendung davon ab, ob die eingelagerten CORMs auch auf effiziente Weise zwei Photonen gleichzeitig absorbieren, das heißt ob der Zwei-Photonen-Absorptionsquerschnitt groß genug ist. Deshalb wurde ein Messaufbau konstruiert und getestet, mit welchem man unter vollständiger Berücksichtigung der entscheidenden Laserpulsparameter (Pulsdauer, Pulsenergie und zentrale Wellenlänge) Zwei-Photonen-Anregespektren aufzeichnen kann. Die ersten Resultate wurden anhand eines kommerziell erhältlichen Referenzmoleküls (Mn2CO10) aufgenommen. Der Messaufbau sowie die beschriebene Messroutine und Datenauswertung lassen sich aber ebenso bei anderen Molekülen anwenden, so dass der Zwei-Photonen-Absorptionsquerschnitt von aussichtsreicheren Substanzen bestimmt werden kann. An dritter Stelle, da die Detektion von Abfragelaserpulsen im MIR Spektralbereich teil eines jeden zeitaufgelösten Experiments im Rahmen dieser Arbeit ist, wurde eine Vergleichsstudie durchgeführt, welche die neu entwickelte Technik der CPU einer direkten Aufnahme mittels eines MCT-Arrays gegenüberstellt. Anhand von Anrege-Abfrage-Messungen an Mn2CO10 und Co4CO12 mit einer 1kHz Schuss-zu-Schuss Datenaufnahme wurde gezeigt, dass die CPU-Detektionsmethode mit einer hohen spektralen Auflösung sowie Abdeckung punkten kann und die dabei eingesetzten CCD-Detektoren zudem einfach in der Handhabung und vergleichsweise kostengünstig sind. Auf der anderen Seite übertragen sich in dem zusätzlichen nichtlinearen Aufkonversionsprozess Intensitätsschwankungen von den gechirpten Fundamentallaserpulsen auf die Abfragelaserpulse im sichtbaren Spektralbereich. Dies bringt zwar ein geringeres Signal-Rausch-Verhältnis mit sich als bei der direkten MCT-Detektion, jedoch lässt sich dieser Nachteil kompensieren indem man ein geeignetes Normierungsverfahren auf die CPU-Abfragepulse anwendet. Demnach bietet die CPU-Detektionsmethode mehr Flexibilität hinsichtlich zukünftiger Anwendungen, in denen MIR-Abfragepulse Verwendung finden. Das ist von großer Bedeutung für viele Anwendungen innerhalb des präsentierten Teilgebietes der Femtochemie, da nicht nur ein Großteil der Experimente die in dieser Arbeit vorgestellt wurden auf der Detektion von schwachen transienten Absorptionssignalen im MIR-Spektralbereich basieren, sondern darüber hinaus eine große Vielfalt an zeitaufgelösten Untersuchungen von vielen verschiedenen System in flüssiger Phase existiert.
KW  - Ultrakurzzeitspektroskopie
KW  - time-resolved optical spectroscopy
KW  - nonlinear spectroscopy
KW  - vibrational spectroscopy
KW  - femtochemistry
KW  - Nichtlineare Spektroskopie
KW  - Schwingungsspektroskopie
KW  - Zeitauflösung
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-96200
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rewitz, Christian
T1  - Far-Field Characterization and Control of Propagating Ultrashort Optical Near Fields
T1  - Fernfeld-Charakterisierung und Steuerung von propagierenden ultrakurzen optischen Nahfeldern
N2  - In this work, femtosecond laser pulses are used to launch optical excitations on different nanostructures. The excitations are confined below the diffraction limit and propagate along the nanostructures.
Fundamental properties of these ultrashort optical near fields are determined by characterizing the far-field emission after propagation with a setup developed for this task. Furthermore, control of the nanooptical excitations' spatial and temporal evolution is demonstrated for a designed nanostructure.
N2  - In dieser Arbeit werden Femtosekunden-Laserpulse verwendet, um optische Moden auf verschiedenen Nanostrukturen anzuregen. Die optische Energie ist dabei unterhalb des Beugungslimits lokalisiert und die Anregungen propagieren entlang der Nanostrukturen. 
Grundlegende Eigenschaften dieser ultrakurzen optischen Nahfelder werden durch die Charakterisierung der Fernfeld-Emission nach der Propagation bestimmt. Dabei wird eine Messmethode verwendet die eigens für diese Aufgabe entwickelt wurde. Darüber hinaus wird die Steuerung der räumlichen und zeitlichen Entwicklung der nanooptischen Anregungen auf einer für diesen Zweck entworfenen Nanostruktur demonstriert.
KW  - Nahfeldoptik
KW  - Ultrakurzer Lichtimpuls
KW  - Nanooptics
KW  - Surface plasmons
KW  - Ultrafast spectroscopy
KW  - Interference microscopy
KW  - Scanning microscopy
KW  - Ultrafast information processing
KW  - Plasmonics
KW  - Plasmon propagation
KW  - plasmon group velocity
KW  - plasmonic waveguides
KW  - Oberflächenplasmonresonanz
KW  - Optische Spektroskopie
KW  - Konfokale Mikroskopie
KW  - Spektrale Interferenz
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-94887
ER  - 
TY  - THES
A1  - Pres, Sebastian
T1  - Detection of a plasmon-polariton quantum wave packet by coherent 2D nanoscopy
T1  - Nachweis eines Plasmon-Polariton-Quantenwellenpakets durch kohärente 2D-Nanoskopie
N2  - Plasmonic nanostructures are considered promising candidates for essential components of integrated quantum technologies because of their ability to efficiently localize broad-band electromagnetic fields on the nanoscale. The resulting local near field can be understood as a spatial superposition of spectrally different plasmon-polariton modes due to the spectrally broad optical excitation, and thus can be described as a classical wave packet. Since plasmon polaritons, in turn, can transmit and receive non-classical light states, the exciting question arises to what extent they have to be described as quantum mechanical wave packets, i.e. as a superposition of different quantum states.
But how to probe, characterize and eventually manipulate the quantum state of such plasmon polaritons? Up to now, probing at room temperatures relied completely on analyzing quantum optical properties of the corresponding in-going and out-going far-field photon modes. However, these methods so far only allow a rather indirect investigation of the plasmon-polariton quantum state by means of transfer into photons. Moreover, these indirect methods lack spatial resolution and therefore do not provide on-site access to the plasmon-polariton quantum state. However, since the spectroscopic method of coherent two-dimensional (2D) nanoscopy offers the capability to follow the plasmon-
polariton quantum state both in Hilbert space and in space and time domain a complete characterization of the plasmon polariton is possible.
In this thesis a versatile coherent 2D nanoscopy setup is presented combining spectral tunability and femtosecond time resolution with spatial resolution on the nanometer scale due to the detection of optically excited nonlinear emitted electrons via photoemission electron microscopy (PEEM). Optical excitation by amplitude- and phase-shaped, systematically-modified and interferometric-stable multipulse sequences is realized, and characterized via Fourier-transform spectral interferometry (FTSI). This linear technique enables efficient data acquisition in parallel to a simultaneously performed experiment. The full electric-field reconstruction of every generated multipulse sequence is used to analyze the effect of non-ideal pulse sequences on the two-dimensional spectral data of population-based multidimensional spectroscopy methods like, e.g., the coherent 2D nanoscopy applied in this thesis. Investigation of the spatially-resolved nonlinear electron emission yield from plasmonic gold nanoresonators by coherent 2D nanoscopy requires a quasi-particle treatment of the addressed plasmon-polariton mode and development of a quantum model to adequately describe the plasmon-assisted multi-quantum electron emission from nanostructures. Good agreement between simulated and experimental data enables to connect certain spectral features to superpositions of non-adjacent plasmon-polariton quantum states, i.e, non-adjacent occupation-number states of the underlying quantized, harmonic oscillator, thus direct probing of the plasmon-polariton quantum wave packet at the location of the nanostructure. 
This is a necessary step to locally control and manipulate the plasmon-polariton quantum state and thus of general interest for the realization of nanoscale quantum optical devices.
N2  - Plasmonische Nanostrukturen gelten als vielversprechende Kanditaten für wesentliche Bestandteile integrierter Quantentechnologien, da sie in der Lage sind, breitbandige elektromagnetische Felder auf der Nanoskala effizient zu lokalisieren. Durch die spektral breitbandige optische Anregung kann das so erzeugte lokale Nahfeld als räumliche Überlagerung von spektral verschiedenen Plasmon-Polariton Moden aufgefasst und daher als klassisches Wellenpaket beschrieben werden. Da Plasmon-Polaritonen wiederum nichtklassische Lichtzustände übertragen und erhalten können, stellt sich allerdings die spannende Frage, inwieweit man sie als quantenmechanische Wellenpakete, sprich eine Superposition von unterschiedlichen Quantenzuständen, beschreiben muss.
Doch wie lässt sich der Quantenzustand solcher Plasmon-Polaritonen untersuchen, charakterisieren und schließlich manipulieren? Bislang beruhte die Untersuchung bei Raumtemperatur vollständig auf der Analyse der quantenoptischen Eigenschaften der entsprechenden ein- und ausgehenden Fernfeld-Photonenmoden. Diese Methoden erlauben allerdings bisher nur eine eher indirekte Untersuchung des Plasmonen-Polaritonen-Quantenzustands mittels Überführung in Photonen. Darüber hinaus mangelt es diesen indirekten Methoden an räumlicher Auflösung und sie bieten daher keinen Zugang zum Plasmonen-Polaritonen-Quantenzustand am Ort der Nanostruktur. Die spektroskopische Methode der kohärenten 2D-Nanoskopie bietet allerdings die Möglichkeit, den Plasmon-Polariton-Quantenzustand sowohl im Hilbert-Raum als auch im Raum- und Zeitbereich zu verfolgen, wodurch eine vollständige Charakterisierung des Plasmon-Polaritons möglich ist.
In dieser Arbeit wird ein vielseitiger experimenteller Aufbau zur kohärenten zweidimensionalen (2D)-Nanoskopie vorgestellt, der spektrale Durchstimmbarkeit und Femtosekunden-Zeitauflösung mit räumlicher Auflösung auf der Nanometerskala durch den Nachweis optisch angeregter nichtlinear-emittierter Elektronen mittels Photoemissionselektronenmikroskopie (PEEM) kombiniert. Die optische Anregung durch amplituden- und phasengeformte, systematisch modifizierte und interferometrisch stabile Multipulssequenzen wird realisiert und über Fouriertransformierte Spektrale Interferenz (FTSI) charakterisiert. Diese lineare Technik ermöglicht eine effiziente Datenerfassung parallel zu einem gleichzeitig durchgeführten Experiment. Die vollständige Rekonstruktion des elektrischen Feldes jeder erzeugten Multipulssequenz wird verwendet, um die Auswirkung nicht-idealer Pulssequenzen auf die zweidimensionalen Spektraldaten von populationsbasierten multidimensionalen Spektroskopiemethoden, wie beispielsweise der in dieser Arbeit verwendeten kohärenter 2D-Nanoskopie, zu analysieren. Die Untersuchung der räumlich aufgelösten nichtlinearen Elektronenemissionsausbeute von plasmonischen Gold-Nanoresonatoren durch kohärente 2D-Nanoskopie erfordert eine Quasiteilchen-Behandlung der angesprochenen Plasmon-Polariton-Mode und die Entwicklung eines Quantenmodells, um die plasmonenunterstützte Multiquanten-Elektronenemission von Nanostrukturen korrekt zu beschreiben. Die gute Übereinstimmung zwischen simulierten und experimentellen Daten ermöglicht es, bestimmte spektrale Merkmale mit Überlagerungen von nicht-benachbarten Plasmon-Polariton-Quantenzuständen, sprich nicht-benachbarter Besetzungszahlzustände des zugrunde liegenden quantisierten, harmonischen Oszillators, in Verbindung zu bringen und so direkt das Plasmon-Polariton-Quantenwellenpaket am Ort der Nanostruktur zu untersuchen.
Dies ist ein notwendiger Schritt, um den Plasmon-Polariton-Quantenzustand lokal zu kontrollieren und zu manipulieren, und somit von allgemeinem Interesse für die Realisierung von quantenoptischen Geräten im Nanomaßstab.
KW  - Coherent Multidimensional Spectroscopy
KW  - Photoemissionselektronenmikroskopie
KW  - Coherent Two-dimensional Nanoscopy
KW  - Fourier-transform spectral interferometry
KW  - Quantum Plasmonics
KW  - Femtosecond Pulse Shaping
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-348242
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lüttig, Julian Konstantin
T1  - Coherent Higher-Order Spectroscopy: Investigating Multi-Exciton Interaction
T1  - Kohärente Spektroskopie höherer Ordnung: Untersuchung der multi-exzitonen Wechselwirkung
N2  - The goal of this thesis was the development and application of higher-order spectroscopic techniques. In contrast to ordinary pump–probe (PP) and two-dimensional (2D) spectroscopy, higher-order coherently detected spectroscopic methods measure a polarization that has an order of nonlinearity higher than three. The key idea of the techniques in this thesis is to isolate the higher-order signals from the lower-order signals either by their excitation frequency or by their excitation intensity dependence. Due to the increased number of interactions in higher-order spectroscopy, highly excited states can be probed. For excitonic systems such as aggregates and polymers, the fifth-order signal allows one to directly measure exciton–exciton annihilation (EEA). In polymers and aggregates, the exciton transport is not connected to a change of the absorption and can therefore not be investigated with conventional third-order techniques. In contrast, EEA can be used as a probe to study exciton diffusion in these isonergetic systems. As a part of this thesis, anisotropy in fifth-order 2D spectroscopy was investigated and was used to study geometric properties in polymers.

In 2D spectroscopy, the multi-quantum signals are separated from each other by their spectral position along the excitation axis. This concept can be extended systematically to higher signals. Another approach to isolate multi-quantum signals in PP spectroscopy utilizes the excitation intensity. The PP signal is measured at specific excitation intensities and linear combinations of these measurements result in different signal contributions. However, these signals do not correspond to clean nonlinear signals because the higher-order signals contaminate the lower-order multi-quantum signals. In this thesis, a correction protocol was derived that uses the isolated multiquantum signals, both from 2D spectroscopy and from PP spectroscopy, to remove the contamination of higher-order signals resulting in clean nonlinear signals. Using the correction on the third-order signal allows one to obtain annihilation-free signals at high excitation intensities, i.e., with high signal-to-noise ratio. Isolation and correction in PP and 2D spectroscopy were directly compared by measuring the clean third-order signals of squaraine oligomers at high excitation intensities. Furthermore, higher-order PP spectroscopy was used to isolate up to the 13th nonlinear order of squaraine polymers.

The demonstrated spectroscopic techniques represent general procedures to isolate clean signals in terms of perturbation theory. The technique of higher-order PP spectroscopy needs only small modifications of ordinary PP setups which opens the field of higher-order spectroscopy to the broad scientific community. The technique to obtain clean nonlinear signals allows one to systematically increase the number of interacting (quasi)particles in a system and to characterize their interaction energies and dynamics.
N2  - Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung and Anwendung von spektroskopischen Techniken höherer Ordnung. Im Gegensatz zu herkömmlicher Anrege-Abfrage- und zweidimensionalen (2D) Spektroskopie, wird in kohärenzdetektierten spektroskopischen Methoden höherer Ordnung eine Polarisation gemessen, die höher als drei ist. Die Schlüsselidee der Techniken dieser Arbeit ist die Trennung Signale höherer Ordnung von den Signalen niedrigerer Ordnung, entweder durch ihre Anregungsfrequenz oder durch ihre Abhängigkeit zur Anregungsintensität. Durch die erhöhte Anzahl an Interaktionen in der Spektroskopie höherer Ordnung können auch hoch angeregte Zustände untersucht werden. Für exzitonische Systeme wie Aggregate und Polymere erlaubt das Signal fünfter Ordnung die direkte Messung der Exziton-Exziton-Annihilierung (EEA). In Polymeren und Aggregaten ist der Exziton-Transport nicht mit einer Änderung des Absoprtionsspektrums verbunden und kann daher nicht mit konventionellen Techniken dritter Ordnung untersucht werden. Im Gegensatz dazu kann EEA, die mit Spektroskopie fünfter Ordnung gemessen wird, als Sonde verwendet werden, um Exziton-Diffusion zu untersuchen. Als ein Teil dieser Arbeit wurde die Anisotropie in der 2D-Spektroskopie fünfter Ordnung untersucht, und es wurde gezeigt, dass diese geometrische Eigenschaften von Polymeren bestimmen kann.

In der 2D-Spektroskopie werden die sogenannten Multiquantensignale durch ihre Position entlang der Anregungsachse von anderen Signalen getrennt. Dieses Konzept
kann systematisch zu höheren Signalen erweitert werden, die durch ihre spezifische Anregungsfrequenz in dem 2D-Spektrum isoliert werden. Ein anderer Ansatz, um Multiquantensignale in der Anrege-Abfrage-Spektroskopie zu isolieren, nutzt die Anregungsintensität. Das Anrege-Abfrage-Signal wird bei spezifischen Anregungsintensitäten gemessen und Linearkombinationen dieser Messungen resultieren in verschiedenen Signalbeiträgen. Allerdings entsprechen diese Signale nicht reinen nichtlinearen Signalen, weil die Signale höherer Ordnung die Multiquantensignale niedriger Ordnung kontaminieren. In dieser Arbeit wurde ein Korrekturprotokoll entwickelt, das die isolierten Multiquantensignale sowohl in der 2D- als auch in Anrege-Abfrage-Spektroskopie nutzt, um die Kontamination durch Signale höherer Ordnung zu entfernen. Die Anwendung dieser Korrektur auf das Signal dritter Ordnung erlaubt es, annihilierungsfreie Signale bei hoher Anregungsintensität, d.h. mit hohem Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu erhalten. Isolation und Korrektur in Anrege-Abfrage- und 2D-Spektroskopie wurden direkt miteinander verglichen, indem das kontaminierungsfreie Signal dritter Ordnung von Squarain-Oligomeren bei hoher Anregungsintensität gemessen wurde. Des Weiteren wurde Anrege-Abfrage-Spektroskopie höherer Ordnung eingesetzt, um nichtlineare Signale bis zur 13ten Ordnung in Squarain-Polymeren zu isolieren.

Die gezeigten spektroskopischen Techniken stellen allgemeine Verfahren zur Isolierung verschiedener Signale im Sinne der Störungstheorie dar. Die Technik der Anrege-Abfrage-Spektroskopie höherer Ordnung erfordert nur geringfügige Änderungen an gewöhnlichen Anrege-Abfrage-Experimenten und erlaubt es, die Spektroskopie höherer Ordnung in vielen weiteren wissenschaftlichen Gebieten anzuwenden. Der Ansatz kontaminierungsfreier nichtlinearer Signale gibt die Möglichkeit, die Anzahl der wechselwirkenden Teilchen systematisch zu erhöhen und ihre Wechselwirkungsenergien und Dynamiken zu messen.
KW  - Coherent Multidimensional Spectroscopy
KW  - Nichtlineare Spektroskopie
KW  - Ultrakurzzeitspektroskopie
KW  - Exziton
KW  - Squaraine
KW  - Exciton–exciton annihilation
KW  - Exziton-Exziton-Annihilierung
KW  - Electronic spectroscopy
KW  - Elektronische Spektroskopie
KW  - Pump–probe spectroscopy
KW  - Anrege-Abfrage-Spektroskopie
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-293182
ER  - 
TY  - THES
A1  - Röding, Sebastian
T1  - Coherent Multidimensional Spectroscopy in Molecular Beams and Liquids Using Incoherent Observables
T1  - Kohärente Multidimensionale Spektroskopie in Molekularstrahlen und Flüssigkeiten durch inkohärente Observablen
N2  - Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Umsetzung einer experimentellen Herangehensweise, welche die kohärente zweidimensionale (2D) Spektroskopie an Proben in unterschiedlichen Aggregatzuständen ermöglicht.
Hierzu wurde zunächst ein Aufbau für flüssige 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 flüssigen Phase stellt die in dieser Arbeit außerdem vorgestellte 2D Spektroskopie an gasförmigen 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 Moleküle erhalten. Zusätzlich 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 für die in dieser Arbeit eingesetzte Variante der 2D Spektroskopie ist die Verwendung einer phasenkohärenten Sequenz bestehend aus vier Laserimpulsen in einer kollinearen Laserstrahlgeometrie zur Anregung der Probe. Diese Impulssequenz wurde durch einen Laserimpulsformer erzeugt, der durch Änderung der relevanten Laserimpulsparameter mit der Wiederholrate des Lasers eine schnelle Datenerfassung ermöglicht. Die Antwort der Probe auf diese Anregung wurde durch inkohärente Observablen gemessen, welche proportional zur Population des angeregten Zustandes sind, wie zum Beispiel Fluoreszenz oder Ionen. Um aus diesem Signal während der Datenanalyse die gewünschten nichtlinearen Beiträge zu extrahieren, wurde die Messung mit verschiedenen Kombinationen der relativen Phase zwischen den Laserimpulsen wiederholt ("Phase Cycling").

Der Aufbau zur 2D Spektroskopie in flüssiger 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 Kohärenzen hervorgerufen werden und mit früheren Beobachtungen in der Literatur übereinstimmen.

Mit dem gleichen Datensatz wurde im nächsten Schritt das neue Konzept zur optimierten Datenerfassung demonstriert. Um ein optimiertes Schema für 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 ursprünglichen Messzeit. Die Rekonstruktion des vollständigen Signales erfolgte mit Hilfe einer neuartigen, kompakten Darstellung von 2D Spektren basierend auf der von Neumann Basis. Diese Herangehensweise benötigte im Vergleich zur üblicherweise verwendeten Fourier Basis nur ein Sechstel der Koeffizienten um das Signal vollständig darzustellen und ermöglichte so die erfolgreiche Rekonstruktion der Oszillationen in Cresyl Violett aus einem reduzierten Datensatz. 

Mit Hilfe der neuartigen kohärenten 2D Spektroskopie an Molekularstrahlen wurden Übergänge von hoch angeregten Rydberg-Zuständen ins ionische Kontinuum in Stickstoffdioxid untersucht. Als dominierender Beitrag stellte sich hierbei der Übergang in auto-ionisierende Zustände heraus. Ein wesentlicher Vorteil der Datenerfassung über ein Flugzeitmassenspektrometer ist die Möglichkeit 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 zurückzuführen sind.

Die in dieser Arbeit entwickelten experimentellen Techniken ermöglichen die schnelle Aufnahme von 2D Spektren für Proben in unterschiedlichen Aggregatzuständen und erlauben einen zuverlässigen, direkten Vergleich der Ergebnisse. Sie sind deshalb ein Wegbereiter für zukünftige Untersuchungen der Eigenschaften quantenmechanischer Kohärenzen in photophysikalischen Prozessen oder während photochemischer Reaktionen in unterschiedlichen Aggregatzuständen.
N2  - The aim of the present work was to implement an experimental approach that enables coherent two-dimensional (2D) electronic spectroscopy of samples in various states of matter. For samples in the liquid phase, a setup was realized that utilizes the sample fluorescence for the acquisition of 2D spectra. Whereas the liquid-phase approach has been established before, coherent 2D spectroscopy on gaseous samples in a molecular beam as developed in this work is in fact a new method. It employs for the first time cations in a time-of-flight mass spectrometer for signal detection and was used to obtain the first ion-selective 2D spectra of a molecular-beam sample. Additionally, a new acquisition concept was developed in this thesis that significantly decreases measurement times in 2D spectroscopy using optimized sparse sampling and a compressed-sensing reconstruction algorithm.

Characteristic for the variant of 2D spectroscopy presented in this work is the usage of a phase-coherent sequence of four laser pulses in a fully collinear geometry for sample excitation. The pulse sequence was generated by a custom-designed pulse shaper that is capable of rapid scanning by changing the pulse parameters such as time delays and phases with the repetition rate of the laser. The sample's response was detected by monitoring incoherent observables that arise from the final-state population, for instance fluorescence or cations. Phase cycling, i.e., signal acquisition with different combinations of the relative phases of the excitation pulses, was applied to extract nonlinear signal contributions from the full signal during data analysis. 

Liquid-phase 2D fluorescence spectroscopy was established with the laser dye cresyl violet as a sample molecule, confirming coherent oscillations previously observed in literature that are originating from vibronic coherences in specific regions of the 2D spectrum. 

The data set of this experiment was used subsequently to introduce optimized sparse sampling in 2D spectroscopy. An optimization algorithm was implemented in order to find the best sampling pattern while taking only one quarter of the regular time-domain sampling points, thereby reducing the acquisition time by a factor of four. Signal recovery was based on a new and compact representation of 2D spectra using the von Neumann basis, which required about six times less coefficients than the Fourier basis to retain the relevant information. Successful reconstruction was shown by recovering the coherent oscillations in cresyl violet from a reduced data set. 

Finally, molecular-beam coherent 2D spectroscopy was introduced with an investigation of ionization pathways in highly-excited nitrogen dioxide, revealing transitions to discrete auto-ionizing states as the dominant contribution to the ion signal. Furthermore, the advantage of the time-of-flight approach to obtain reactant and product 2D spectra simultaneously enabled the observation of distinct differences in the multiphoton-ionization response functions of the nitrogen dioxide cation and the nitrogen oxide ionic fragment.  

The developed experimental techniques of this work will facilitate fast acquisition of 2D spectra for samples in various states of matter and permit reliable direct comparison of results. Therefore, they pave the way to study the properties of quantum coherences during photophysical processes or photochemical reactions in different environments.
KW  - Femtosekundenspektroskopie
KW  - Ultrakurzzeitspektroskopie
KW  - Pump-Probe Technik
KW  - Fourier-Spektroskopie
KW  - Coherent Multidimensional Spectroscopy
KW  - Time-Resolved Spectroscopy
KW  - Photochemistry
KW  - Laser Pulse Shaping
KW  - Sparse Sampling
KW  - Kohärente Multidimensionale Spektroskopie
KW  - Zeitaufgelöste Spektroskopie
KW  - Photochemie
KW  - Laserimpulsformung
KW  - Sparse Sampling
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-156726
ER  -