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Anregung von Atomen durch getwistetes Licht
Full text linkTwisted light has received a lot of attention in recent years. And there are justified reasons for this. The properties of twisted light are unusual and differ fundamentally from the plane-wave properties. The phase fronts of these light beams have a helical structure, giving them the name twisted. This helical phase structure originates from the well-defined orbital angular momentum (OAM) that they carry along their propagation direction and in addition to the spin angular momentum (SAM). Moreover, they have a characteristic intensity profile, which consists of concentric rings with a central minimum, and a phase singularity in the beam center. This thesis is based on two main parts, each dealing with a different aspect of twisted light. These investigations are carried out using Bessel beams, one type of twisted light. Twisted light beams are cylindrically symmetrical. Therefore, they are defined on the basis of circularly polarized light. This fact leads to the first question: Is it possible to generate twisted light in other polarization states? In this work, we derive how this can be achieved by using the superposition principle and how this can be used to construct linearly, radially, or azimuthally polarized Bessel beams. The focus in the second part is on excitations of atoms by twisted Bessel beams. In particular, we analyze how the use of twisted light can modify individual atomic multipole transitions. The obtained results show that for an efficient modification a precise localization of the target atom is required. In the last chapter, both aspects are combined. We analyze transitions between magnetic hyperfine states in a single trapped atom (or ion), which is exposed to an additional external magnetic field. The presented calculations for these multipole excitations are based on a formalism that accounts for the alignment of the applied external magnetic field with respect to the light propagation direction, and additionally different polarization states of the radiation field are considered. The obtained results indicate that twisted light could be of particular interest for precision experiments. One possible application is the use in single-ion clocks. The work shows that high multipole orders of the vortex beams allow excitations in the intensity minimum in the center of these beams without causing large disturbances, and thus may enable a significant reduction of the light shift in atomic transitions.Getwisteten Lichtstrahlen wurde in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit gewidmet. Dafür gibt es berechtigte Gründe. Die Eigenschaften von getwisteten Lichtstrahlen sind ungewöhnlich und unterscheiden sich grundlegend von den Eigenschaften ebener Wellen: Ihre Phasenfronten weisen eine helikale Struktur auf, woraus der Name getwisted hervorgeht. Diese helikale Phasenstruktur resultiert aus dem wohldefinierten Orbitalen-Drehimpuls (OAM), den sie entlang ihrer Ausbreitungsrichtung und zusätzlich zum Spin-Drehimpuls (SAM) haben. Charakterisch ist das ringförmige Intensitätsprofil mit dem zentralen Minimum, ebenso wie die Phasensingularität im Strahlzentrum. Diese Arbeit ist im Wesentlichen in zwei Hauptteile gegliedert, die sich jeweils mit einem anderen Aspekt des getwisteten Lichts befassen. Diese Untersuchungen werden mit Besselstrahlen, einer Art des getwisteten Lichts, durchgeführt. Getwistete Lichtstrahlen sind zylindersymmetrisch, aus diesem Grund werden sie in der Basis von zirkular polarisiertem Licht definiert. Diese Tatsache führt zur ersten Fragestellung: Ist es möglich getwistetes Licht in anderen Polarisationszuständen zu generieren? Wir zeigen, wie dies mit dem Superpositionsprinzip realisiert werden kann und wie damit verschiedene Polarisationszustände von Besselstrahlen, wie z.B. lineare, radiale oder azimuthale Polarisation, konstruiert werden können. Der zweite Teil fokussiert sich auf die Anregung von Atomen durch getwistete Besselstrahlen. Insbesondere analysieren wir, wie der Einsatz von getwistetem Licht einzelne atomare Multipolübergänge modifizieren kann. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass eine genaue Positionierung des Atoms notwendig ist, um eine effiziente Modifikation zu erreichen. Im letzten Kapitel werden diese beiden Aspekte kombiniert. Dort untersuchen wir Übergänge zwischen magnetischen Hyperfeinstrukturzuständen in einem einzelnen gefangenen Atom (bzw. Ion), das einem zusätzlichen Magnetfeld ausgesetzt ist. Die erzielten Ergebnisse machen kenntlich, dass getwistetes Licht für Präzisionsexperimente von Interesse sein könnte. Eine denkbare Anwendung wäre die Verwendung in Einzelionen-Uhren. Die Arbeit zeigt, dass hohe Multipolordnungen der Vortex-Lichtstrahlen Anregungen im Intensitätsminimum im Zentrum dieser Strahlen ermöglichen, ohne große Störungen zu bewirken und somit eine deutliche Reduktion der Lichtverschiebung in atomaren Übergängen möglich machen
Design in der Hochpräzisionsmetrologie durch Maschinelles Lernen
Full text linkArtificial Intelligence and photonics are two fields that individually shaped modern science for decades. However, the interdisciplinary field of utilizing intelligent algorithms to facilitate the design of photonic devices only emerged during the last few years. Although techniques in the field of Artificial Intelligence promise to reach unprecedented functionalities, especially in the intricate field of high-precision optical metrology, which involves the precise measurement and characterization of light and optical properties for applications requiring nanometer to sub-nanometer accuracy, their application necessitates the understanding of completely new frameworks. This thesis delves into the innovative integration of Machine Learning methods within the domain of optical device optimization, particularly focusing on the design of high-performance optical cavities and metasurfaces for applications in high-precision optical metrology. These applications often present extreme demands for the optical performance, such as the reflectivity of optical mirrors or the noise performance of multiscale optical systems. Existing Machine Learning methods fall short in addressing these cutting-edge requirements, for example in exceeding metasurface efficiency well beyond 90 %. This thesis tackles the novel intersection of nanophotonics and Artificial Intelligence to enhance the design and functionality of photonic devices. Through a meticulous numerical analysis, it assesses the spectrum of noise sources in ultra-stable laser systems, highlighting the non-intuitive role of the mirrors for the first time. Employing neural networks, the study showcases a novel method for rapid and accurate noise estimation, leading to the optimization of cavity geometries for minimized noise. Furthermore, the thesis explores the potential of metamirrors, designed through advanced Machine Learning techniques, to achieve near-unity reflectivity and precise phase control for focusing light, surpassing traditional mirror designs. A novel tandem neural network approach facilitates the design of a focusing metamirror, demonstrating exceptional performance in reflectivity and phase accuracy for a typical wavelength of 1550 nm. This work also introduces freeform topology optimization methods for designing metaatoms capable of dual-wavelength operation at 1064nm and 1550 nm, utilizing cutting-edge computer vision models for predicting optical properties from binary pixel maps. The research outlines the critical role of Machine Learning in advancing the design and optimization of optical devices, offering a comprehensive framework for future studies in photonic device design. It sets a new benchmark for the application of Artificial Intelligence in photonics, paving the way for further exploration of sophisticated Machine Learning techniques.Künstliche Intelligenz und Photonik sind zwei Bereiche, die die moderne Wissenschaft über Jahrzehnte hinweg geprägt haben. Das interdisziplinäre Gebiet, das solche intelligenten Algorithmen nutzt, um das Design photonischer Bauteile zu erleichtern, entstand erst in den letzten Jahren. Obwohl viele Methoden aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz, insbesondere im komplexen Feld der Hochpräzisionsmetrologie, die die genaue Messung und Charakterisierung von Licht und optischen Eigenschaften für Anwendungen mit einer Genauigkeit von Nanometern bis zu Sub-Nanometern umfasst, unerreichte Funktionalitäten versprechen, erfordert ihre Anwendung ein umfassendes Verständnis völlig neuer Methoden. Diese Arbeit befasst sich mit dem Einsatz von Methoden des maschinellen Lernens im Bereich der Optimierung optischer Bauteile, mit besonderem Fokus auf die Implementierung optischer Resonatoren und Metaoberflächen für Anwendungen in der Hochpräzisionsmetrologie. Diese Anwendungen stellen oft extreme Anforderungen an die optische Performance, z. B. an das Reflexionsvermögen von optischen Spiegeln oder das Rauschverhalten von mehrskaligen optischen Systemen. Bestehende Methoden des maschinellen Lernens werden diesen modernen Anforderungen nicht gerecht, wenn es beispielsweise darum geht, die Effizienz von Metaoberflächen weit über 90% hinaus zu steigern. In dieser Arbeit wird jener neue Schnittpunkt von Nanophotonik und künstlicher Intelligenz untersucht, um das Design und die Funktionalität photonischer Bauteile zu verbessern. Eine umfassende numerische Analyse bewertet ein breites Spektrum von Rauschquellen in ultrastabilen Lasersystemen und hebt zum ersten Mal die Rolle der Spiegel hervor. Unter Verwendung von neuronalen Netzwerken beschreibt die Studie eine neuartige Methode für eine schnelle und genaue Abschätzung von Rauschbeiträgen, die zur Optimierung der Resonator-Geometrie für minimiertes Rauschen führt. Weiterhin erkundet die Dissertation das Potenzial von Metaspiegeln, die durch fortschrittliche Techniken des maschinellen Lernens designt wurden, um eine nahezu vollständige Reflektion und präzise Phasenkontrolle für das Fokussieren von Licht zu erreichen und damit traditionelle Spiegeldesigns abzulösen. Ein neuartiger Tandem-Ansatz neuronaler Netzwerke erleichtert das Design eines fokussierenden Metaspiegels und demonstriert außergewöhnliche Leistungen in Bezug auf Reflektivität und Phasengenauigkeit für eine typische Wellenlänge von 1550 nm. Zudem werden erste Proben dieser fokussierenden Metaspiegel hergestellt und charakterisiert. Diese Arbeit führt zudem eine Methode der Freiform-Optimierung für das Design von Metaatomen ein, die es ermöglichen kann, einen Metaspiegel mit zwei Wellenlängen, 1064nm und 1550 nm, zu betreiben. Hierfür werden modernste Computer-Vision-Modelle zur Vorhersage optischer Eigenschaften der Metaatome genutzt. Die Forschung unterstreicht die unersetzliche Rolle des maschinellen Lernens bei derWeiterentwicklung der Design-Prozesse und der Optimierung optischer Bauteile und bietet einen umfassenden Rahmen für zukünftige Studien auf diesem Gebiet. Sie setzt einen neuen Maßstab für die Anwendung von künstlicher Intelligenz in der Photonik und ebnet den Weg für weitere Untersuchungen neuartiger Techniken des maschinellen Lernens
Inelastische Lichtstreuung von Twisted Light an Weyl-Halbmetallen und chiralen frustrierten Spinsystemen
No full textThis experimental Raman study is about the light-matter interaction between twisted light and chiral structured matter. Here, we demonstrate the coupling of orbital angular momentum (OAM) of twisted light to these chiral structures. We expect to see order effects or fluctuations in the inelastic scattering process. These effects occur on a low energy scale with a weak scattering intensity, like an increased quasielastic scattering. Circularly polarized light can lead to chiral dichroism in materials with a chiral structure. Chiral dichroism results in different absorption rates for right- and left-handed circularly polarized light. An analog effect exists in the inelastic light scattering. It is called Raman optical activity (ROA). Chiral dichroism can be combined with magnetic dichroism and vortex dichroism. The absorption rate can be affected by a magnetic field parallel to the propagation direction of light and an inhomogeneous phase front of twisted light. These three effects can be observed simultaneously and can superimpose each other. As a tuning parameter, we apply strong magnetic fields up to 10 Tesla to the investigated samples and use twisted light as an incident polarisation in inelastic scattering experiments. The twisted light used has additional components of circularly polarized light. We study two chiral model systems systematically: On the one hand, we investigate a chiral Weyl semimetal PdGa, in which both the Palladium and the Gallium atoms form a chiral structure within the unit cell, and on the other hand, a frustrated spin system based on a Kagome-like sublattice. The second examined sample system is the oxide YBaCo3FeO7. In this system, the spins of Co3Fe groups are located on a triangular sublattice. These layered sublattices have a Kagome-like coordination. Due to competing interactions within the Kagome-like layer, the spins are frustrated, and long-range order is prohibited. We present a Raman study in strong magnetic fields, comparing spectra of different magnetic field directions with linear polarized, circular polarized, and twisted light. This research aims to gain knowledge on the coupling mechanisms of orbital angular momentum of light onto matter, for which these chiral structures seem to be predestined.In dieser experimentellen Raman-Studie geht es um die Licht-Materie-Wechselwirkung zwischen Twisted Light und chiral strukturierter Materie. Wir versuchen, den Bahndrehimpuls (OAM) von Twisted Light an diese chiralen Strukturen zu koppeln. Wir erwarten Ordnungseffekte oder Fluktuationen im in elastischen Streuprozess. Diese Effekte finden auf einer niedrigen Energieskala mit einer schwachen Streuintensität statt. Ein Beispiel ist etwa eine erhöhte quasielastische Streuung. Zirkular polarisiertes Licht kann in chiralen Strukturen zu chiralem Dichroismus führen. Chiraler Dichroismus führt zu unterschiedlichen Absorptionsraten für rechts- und linkszirkular polarisiertes Licht. Ein analoger Effekt existiert in der inelastischen Lichtstreuung, die als optische Raman-Aktivität (ROA) bezeichnet wird. Chiraler Dichroismus kann mit magnetischem Dichroismus und Vortex Dichroismus kombiniert werden, wobei die Absorptionsrate durch ein parallel zur Ausbreitungsrichtung des Lichts ausgerichtetes Magnetfeld und eine inhomogene Phasenfront beeinflusst werden kann. Diese drei Effekte sind überlagerbar. Dazu wenden wir starke Magnetfelder bis zu 10 Tesla an und nutzen in inelastischen Streuexperimenten Twisted Light, das zusätzlich eine zirkulare Polarisation aufweist. Wir untersuchen systematisch zwei chirale Modellsysteme. Einerseits ein chirales Weyl-Halbmetall PdGa, in dem sowohl die Palladium- als auch die Galliumatome in der Elementarzelle eine chirale Struktur bilden, und andererseits ein frustriertes Spinsystem, das auf einem Kagome-ähnlichen Untergitter basiert. Bei diesem zweiten untersuchten Probensystem handelt es sich um das Oxid YBaCo3FeO7. In diesem System liegen die Spins von Co3Fe auf dreieckigen Untergittern. Diese geschichteten Untergitter haben eine Kagome-ähnliche Ausrichtung. Aufgrund der geringen Dimensionalität der Kagome-ähnlichen Schicht führt dies zu einer starken Frustration der magnetischen Spins. Wir präsentieren eine Raman-Studie in starken Magnetfeldern, in der Spektren verschiedener Richtungen des Magnetfelds mit linear polarisiertem, zirkular polarisiertem und Twisted Light verglichen werden. Dieses Forschungsziel besteht darin, Erkenntnisse über die Kopplungsmechanismen des Bahndrehimpulses von Licht an Materie zu gewinnen, für die diese chiralen Strukturen prädestiniert zu sein scheinen
Signaturen gebundener Majoranazustände im elektronischem Transport durch endliche topologische Supraleiter
Full text linkMajorana bound states (MBSs) offer a promising route to fault-tolerant quantum computation, because of their non-Abelian anyonic exchange statistics. They emerge as protected boundary modes of one dimensional topological superconductors (TSCs). Due to the finite size of these TSCs the wave functions of the two MBSs can spread across the whole TSC which leads to the possibility to access both MBSs at the same end of the TSC. First, we consider a spinless metallic lead-TSC-quantum dot setup in which the Majorana system is described with a Kitaev chain. Here, we show that a pair of Fano resonances arises as a function of dot level energy in the differential conductance. In an analytical low-energy description, we show that in the case of isolated MBS, i.e. only one MBS is contacted by the lead and the second MBS is only contacted by the quantum dot, these Fano resonances are invariant under a sign change of the dot level energy. This symmetry, however, is broken as soon as we allow the quantum dot to not only couple to one but also to the second MBS. Next, we consider a spinful model, in which the MBS system is given by a semiconducting nanowire with Rashba spin orbit interaction, proximity induced s-wave superconductivity and an applied Zeeman field. In this scenario, we find that even without a coupling to the dot the transport properties can be used to determine the different couplings to both MBSs. Furthermore, we find that the spin canting angles of the MBSs have a profound influence on the low-energy transport properties. We underline our analytical findings with a numerical treatment of the proposed transport setup where we apply the mean field approximation for the Coulomb energy selfconsistently. For the Josephson junction we use the quasidegenerate perturbation theory to obtain an effective low-energy Hamiltonian. Our calculations show that the MBSs only contribute to the equilibrium Josephson current if both of them can be adressed by electron tunneling from the lead. Moreover, we find that the critical current is oscillating as a function of applied Zeeman field and exhibits a sign change at parity crossings. A numerical analysis reveals the contributions of higher energy states due to a residual s-wave pairing in the topologically non-trivial regime which shadow the signatures related to the MBSs. We therefore suggest an experimental scheme that uses quasiparticle poisoning to unveil the Majorana contributions.Majorana bound states (MBSs) bieten aufgrund ihrer nicht-Abelschen anyonischen Austauschstatistik einen vielversprechenden Ansatz für einen fehlertoleranten Quantencomputer. Sie entstehen als geschützte Grenzzustände von eindimensionalen topologischen Supraleitern (TSCs). Aufgrund der endlichen Größe dieser TSCs kann sich die Wellenfunktion der beiden MBSs über den gesamten TSC ausbreiten, was zu der Möglichkeit führt, auf beide MBSs am gleichen Ende des TSC zuzugreifen. Zuerst betrachten wir eine spinlose metallischen Zuleitung-TSC-Quantenpunktanordnung, bei dem das Majorana-System mit einer Kitaev-Kette beschrieben wird. Hier zeigen wir, dass ein Paar Fano-Resonanzen als Funktion der Quantenpunktenergie in der differentiellen Leitfähigkeit entsteht. In einer analytischen Niederenergiebeschreibung zeigen wir, dass bei isolierten MBSs, d.h. nur ein MBS wird von der Leitung und der zweite MBS wird nur von dem Quantenpunkt kontaktiert, diese Fano-Resonanzen invariant unter einer Vorzeichenänderung der Quantenpunktenergie sind. Diese Symmetrie wird jedoch gebrochen, sobald wir zulassen, dass der Quantenpunkt nicht nur an ein, sondern auch an das zweite MBS gekoppelt wird. Als nächstes betrachten wir ein Modell mit Spin, bei dem das MBS-System durch einen halbleitenden Nanodraht mit Rashba-Spinorbitwechselwirkung, induzierter s-Wellen Supraleitung und einem angelegten Zeeman-Feld gegeben ist. In diesem Szenario stellen wir fest, dass auch ohne Kopplung an den Quantenpunkt die Transporteigenschaften genutzt werden können, um die unterschiedlichen Kopplungen zu beiden MBSs zu bestimmen. Wir unterstützen unsere analytischen Ergebnisse mit einer selbstkonsistenten numerischen Behandlung des vorgeschlagenen Transportsetups. Für den Josephsonkontakt verwenden wir die quasientartete Störungstheorie, um einen effektiven niederenergetischen Hamiltonoperator zu erhalten. Unsere Berechnungen zeigen, dass die MBSs nur dann zum Gleichgewichts-Josephsonstrom beitragen, wenn beide durch Elektronentunneln von der Zuleitung adressiert werden können. Eine numerische Analyse zeigt zusätzliche Beiträge höherer Energiezustände aufgrund einer verbleibenden s-Wellenpaarung im topologisch nicht-trivialen Regime, die die Signaturen im Zusammenhang mit den MBSs überschatten. Wir schlagen daher ein experimentelles Schema vor, das die Majorana-Beiträge durch Quasiteilchen-Vergiftung enthüllt
High precision many-electron calculations for multiply-charged ions
Full text linkRecent advances in measurements/observations have made it possible to test small and minute fundamental physical effects for transition rates and line strengths in many-electron atomic systems with unprecedented accuracies. This thesis provides high-precision calculations of line strengths and lifetimes for different atomic systems where we accurately account for various higher-order effects. In all these systems, systematically enlarged multiconfiguration Dirac-Hartree-Fock (MCDHF)wave functions are employed for calculation of the atomic states involved in the transitions to account for the relativistic correlation corrections. Firstly, the QED sensitive magnetic dipole (M1) line strengths between the fine-structure levels of the ground configurations in B-, F-, Al- and Cl-like ions are calculated for the four elements argon, iron, molybdenum and tungsten. For these transitions, in addition to relativistic correlation corrections, the QED corrections are evaluated to all orders in αZ utilizing an effective potential approach. As a result, our calculations have reached an accuracy of 10 4 for the M1 line strengths. These accurate theoretical predictions provide the prerequisite for a test of QED by lifetime measurements at different frequencies and timescales. This will help to find a reason for the present discrepancies between theory and experiment for B-like Ar and Al-like Fe. Secondly, the line strength of the 1s22s2p 1P1 1s22s2 1S0 spin allowed E1 transition in Be-like carbon is calculated. For this highly correlated transition, different correlation models are developed to account for all major electron-electron correlation contributions. The finite nuclear mass effect is accurately calculated taking into account the energy, wave functions as well as operator contributions. As a result, a reliable theoretical benchmark of E1 line strength with a relative accuracy of 1.5 × 10 4 is provided to support high precision lifetime measurement at GSI Darmstadt for the 1s22s2p 1P1 state in Be-like carbon. Finally, large-scale calculations are performed for all allowed (E1) and forbidden (M1,E2,M2) transitions among the fine structure levels of the 3s23p5, 3s3p6 and 3s23p43d configurations for Ni XII. Here, we validate all recently identified tentative experimental lines with one exception. Moreover, we present ab initio lifetimes that are better than previously reported ab initio and semi-empirical values as compared to available experimental data. Thus, we provide reliable predictions in the prospects of future experiments
High resolution for x-ray spectroscopy studies with highly charged heavy ions at the CRYRING@ESR electron cooler
Full text linkIn this work, we report on the first x-ray spectroscopy study associated with the RR processes for bare lead ions at the electron cooler of the CRYRING@ESR, as storage rings are currently the only facilities routinely delivering hydrogen-like ions at high-Z in large quantities. With ultra-cold electron beam temperatures and near zero electron-ion collision energies, the effective production of characteristic projectile x-rays was well demonstrated at 0 deg and 180 deg observation geometries in our experiment by decelerated 10 MeV/u hydrogen-like lead ions. To reveal the role of radiative feeding transitions in the formation of observed intense Lyman and Balmer lines, an elaborate theoretical model describing the radiative decay dynamics and each (n, l, j)-state population varying over time is put to a test. As a result, the presented rigorous treatment reproduces observed x-ray spectroscopy really well in terms of the RR transitions and characteristic x-ray lines. In addition, we found a strong enhancement for l = n − 1 states in inner shells due to radiative Yrast-cascades from high Rydberg states, that finally contribute strikingly to the observed intensities of characteristic x-ray lines. Further on the current thesis lays the basis for a successful effort to push the experimental resolution of x-ray spectroscopy for L → K ground-state transitions at high-Z of below 80 eV at about 100 keV. This was done in an RR experiment of free electrons into the bound states of initially hydrogen-like uranium ions by adopting low temperature x-ray detectors, namely metallic magnetic calorimeters. Such an experiment allowed us for the first time to resolve the substructure of the Kα2 line and partially the Kα1 line in helium-like uranium ions. The preliminary data again prove the unique potential of the experimental method based on x-ray spectroscopy at the electron cooler of the CRYRING@ESR
Cryogenic investigation of photoelasticity and mechanical loss for future gravitational wave detectors and ultrastable optical cavities
Full text linkDie präzisesten Messinstrumente basieren auf der Interferenz von elektromagnetischen Wellen (Interferometrie). Im Jahre 1916 postulierte Albert Einstein im Rahmen seiner Allgemeinen Relativitätstheorie die Existenz von Gravitationswellen. Diese Technik ermöglicht es aktuell Zeit mit einer relativen Genauigkeit von 10-16 und Länge mit einer relativen Genauigkeit von 10-23 zu messen. Der experimentelle Zugang zu Gravitationswellen konnte aufgrund des enormen technischen Aufwands erst 101 Jahre später realisiert werden. Der dominanteste Rauschmechanismus in aktuellen Systemen ist Brownsches Rauschen. Nach dem Fluktuations–Dissipationstheorem ist dies direkt mit dem mechanischen Verlust verknüpft. Neben vielen bereits gut untersuchten Verlustmechanismen ist insbesondere das Phonon–Tunneln von Membranen ein noch nicht ausreichend untersuchter Verlustmechanismus. In dieser Arbeit wurde ein Model des Phononen–Tunnelns für quadratische Membranen aufgestellt. Dieses Model wurde anschließend in COMSOL Multiphysics implementiert. Die Simulationen zeigten, dass das Phonon–Tunnelns bei kryogenen Temperaturen bei den hier untersuchten Proben dominiert. Anschließend wurde ein Experiment zur Messung mechanischer Verluste von Membranen entwickelt und aufgebaut. Mit diesem Aufbau wurde zur Überprüfung des Models eine Membran vermessen. Die Messungen zeigten eine gute Übereinstimmung mit den Simulationen. Eine weitere, noch nicht untersuchte Rauschquelle ist das photoelastische Rauschen. Dieses fußt auf dem photoelastischen Effekt. In dieser Arbeit wird das photoelastische Rauschen von Gravitationswellendetektoren wie dem aLIGO, dem Einstein–Teleskop (ET) und optischen Resonatoren berechnen. Für die Untersuchung des photoelastischen Rauschens wurde von mir eine Berechnungsmethode entwickelt. Für die Berechnung muss der photoelastische Materialparameter bekannt sein. Dieser ist für tiefe Temperaturen noch nicht vermessen worden. Aus diesem Grund habe ich ein neuartiges Experiment für die Messung des photoelastischen Parameters bei kryogenen Temperaturen entwickelt und realisiert. Anschließend habe ich den photoelastische Materialparameter von Silizium vermessen. Auf Basis der Messwerte konnte das photoelastische Rauschen der entsprechenden transmissiven Komponenten berechnet werden. Es zeigte sich, dass das photoelastische Rauschen von aktuellen Graviationswellendetektoren und vom geplanten Einstein–Teleskop nicht limitierend ist.The most precise measuring instruments are based on the interference of electromagnetic waves (interferometry). In 1916 Albert Einstein postulated the existence of gravitational waves within the framework of his general theory of relativity. This technique currently allows time to be measured with a relative accuracy of 10-16 and length with a relative accuracy of 10-23. Experimental access to gravitational waves could not be realized until 101 years later because of the enormous technical effort involved. The most dominant noise mechanism in current systems is Brownnian noise. According to the Fluktuations–Dissipations–theorem, this is directly linked to mechanical loss. In addition to many loss mechanisms that have already been well studied, phonon-tunneling of membranes in particular is a loss mechanism that has not yet been adequately studied. In this work, a model of phonon tunneling for square membranes was established. This model was then implemented in COMSOL Multiphysics. The simulations showed that phonon– tunneling at cryogenic temperatures dominates for the samples studied here. An experiment to measure mechanical losses of membranes was then designed and set up. Using this setup, a membrane was measured to verify the model. The measurements showed good agreement with the simulations. Another source of noise that has not yet been investigated is photoelastic noise. This is based on the photoelastic effect. In this work, we calculate the photoelastic noise from gravitational wave detectors such as the aLIGO, the Einstein–telescope (ET) and optical resonators. For the investigation of the photoelastic noise a calculation method was developed by me. For the calculation the photoelastic material parameter must be known. This has not yet been measured for low temperatures. For this reason I developed and realized a novel experiment for the measurement of the photoelastic parameter at cryogenic temperatures. Subsequently, I measured the photoelastic material parameter of silicon. Based on the measured values, the photoelastic noise of the corresponding transmissive components could be calculated. It was shown that the photoelastic noise of current gravitational wave detectors and of the planned Einstein–telescope is not limiting
High-harmonic generation with Laguerre-Gaussian beams
Full text linkHigh-harmonic generation is a versatile process, for one thing, useful to explore the structure of atoms or molecules during the generation itself and apart from that a source of bright, short, coherent extreme ultraviolet radiation. Thereby the harmonic radiation can be controlled by the shape of the driving laser with respect to its polarization or frequencies. Recent advances show that Laguerre-Gaussian beams, which carry in addition to their spin also orbital angular momentum, can be utilized for high-harmonic generation. In this thesis, we analyze high-harmonic generation with Laguerre-Gaussian beams in the framework of the strong-field approximation and show that this requires both the interaction of a single atom with the driving laser and the macroscopic superposition of all single atom contributions. We first investigate high-harmonic generation with linearly polarized Laguerre-Gaussian beams. There, we show how the orbital angular momentum of the driving laser is transferred to the generated harmonics. Here, we developed vivid photon diagrams to explain the conservation of orbital angular momentum. We then consider phase matching of the generated radiation in order to increase the conversion efficiency. In particular, we analyze the coherence length at different positions in the generating beam. Furthermore, we investigate high-harmonic generation with a pair of counter-rotating circularly polarized Laguerre-Gaussian beams. Here, we derive selection rules that take account of the conservation of energy, spin and orbital angular momentum. In addition, we show that the orbital angular momentum of the generated harmonics can be precisely controlled by the orbital angular momentum of the driving beam
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Full text linkThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
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