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Stellenausschreibung der Photonik

(Aktualisiert am 28.11.2011)

Master-, Bachelorarbeiten



Thema: Erzeugung und Charakterisierung von nichtklassischem Licht für die nichtlineare Spektroskopie und Mikroskopie

Die Arbeit umfasst die Erzeugung von korrelierten Photonenpaaren auf Basis der nichtlinearen Optik. Die auf diese Weise generierten verschränkten oder korrelierten Biphotonen zeichnen sich durch eine Reihe sehr interessanter Eigenschaften aus und bilden damit aktuell einen der Forschungsschwerpunkte der experimentellen Quantenoptik.
PDC-Licht Fluoreszenzspektren
Abbildung: CCD-Aufnahme der parametrischen Fluoreszenz zur Erzeugung korrelierter Photonenpaare (links) und Temperaturabhängigkeit der Fluoreszenzwellenlängen (rechts).


Für die experimentellen Untersuchungen stehen eine Reihe von Anregungslaser sowie verschiedene optisch-nichtlineare Medien zur Verfügung.
Das generierte nicht-klassische Licht soll anschließend hinsichtlich seiner zeitlichen, räumlichen und spektralen Eigenschaften (Korrelationen) charakterisiert werden, wobei verschiedenste Messsysteme zur Anwendung kommen.
Neben diesem Thema lassen sich, in Zusammenarbeit mit den Forschern der theoretischen Quantenoptik, eine Reihe weiterer interessanter Fragestellungen formulieren, die es gilt, in experimentellen Untersuchungen zu verifizieren.

Ansprechpartner: Dr. Anreas Jechow, Tel. 0331/977-5495



Thema: Nichtlineare Spektroskopie und Mikroskopie auf der Basis der Mehrphotonenanregung mit nichtklassischem Licht

Korrelierte oder verschränkte Photonen stellen zur Zeit ein Hauptthema der Quanten-optik dar.
Interessante Anwendungen eröffnen sich damit zum Beispiel in der Quanten-informationsverarbeitung oder auch in der nichtlinearen Spektroskopie.
Mit dieser Diplomarbeit soll experimentell nachgewiesen werden, dass sich die mithilfe der nichtlinearen Optik erzeugten korrelierten Photonenpaare für die Mehrphotonen-anregung ausgewählter Proben eignen.
Aufgrund der nichtklassischen Eigenschaften dieses Lichts, so zeigen es theoretische Modelle, ergeben sich deutliche Unterschiede zu der Anregung mit klassischem (Laser)licht - zum Beispiel bei der Fluoreszenzausbeute.
Energieschema Argon-Laser Latexbeads
Abbildung: Energieschema der Ein- und Zweiphotonenanregung (links), Ar+-Laser zur Erzeugung korrelierter Photonenpaare (Mitte)
und mithilfe der konfokalen Mikroskopie gemessene Einphotonenfluoreszenz von Latexbeads (rechts).


Neben den spektroskopischen und mikroskopischen Untersuchungen umfasst die Arbeit ggf. die Herstellung und Präparation von geeigneten Proben für die Mehrphotonenan-regung.
Hierfür stehen einerseits eine Reihe von ausgewählten Farbstoffen als auch neu-artige Materialien wie zum Beispiel Quantendots zur Verfügung.
Zusätzlich zu diesem Thema lassen sich, in Zusammenarbeit mit den Forschern der theoretischen Quantenoptik,
weitere interessante Fragestellungen formulieren, die es gilt, in experimentellen Untersuchungen zu verifizieren.

Ansprechpartner: Dr. Anrdeas Jechow, Tel. 0331/977-5495



Thema: Nichtlineare Anregung mit unterscheidbaren Photonen

Die Besetzung eines Energiezustandes durch eine Mehrphotonenabsorption kann über eine nichtsimultane, stufenweise Anregung realer Zwischenniveaus oder durch eine simultane Anregung über virtuelle Niveaus erfolgen. Bei der simultanen Zweiphotonenabsorption (TPA) muss der Energiebetrag der beiden für die Anregung benötigten Photonen dem Energieabstand zwischen Grund- und angeregtem Niveau entsprechen (Abbildung 1:(a)). Im Gegensatz zur Einphotonenabsorption gelten bei der TPA andere quantenmechanische Auswahlregeln. Es können Energieniveaus angeregt werden, die für eine Einphotonenabsorption (SPA) quantenmechanisch „verboten“ sind: so genannte "optisch dunkle Zustände". Ein Beispiel hiefür ist im Lichtsammelkomplex LHC II der Photosynthese durch die Carotinoide gegeben. In solch symmetrischen Molekülen (mit Inversionszentrum), muss der einphotoneninduzierte Übergang zwischen Zuständen verschiedener Parität verlaufen. Ein Übergang vom Grundzustand S0 in den angeregten Zustand S1 ist nicht möglich, da sie gleiche Parität besitzen. Bei der TPA wird ein virtuelles Zwischenniveau angenommen (Abbildung 1:(b)). Auch hier ändert sich bei jedem Übergang die Parität. Da dieses zwei Mal geschieht, bleibt die Parität insgesamt erhalten. In dieser Diplomarbeit soll im Speziellen das Absorptionsverhalten in verschiedenen Systemen bei Anregung mit unterscheidbaren Photonen unter Variation derer Eigenschaften, wie zum Beispiel Polarisation, Wellenlänge oder zeitliche Abfolge untersucht werden. Als motivierteR DiplomandIn in der Experimentalphysik bleibt Euch bei enger persönlicher Betreuung immer noch ausreichend Raum für eigene Kreativität. Unterstützung findet dies auch durch die moderne Ausstattung der Arbeitsgruppe Photonik. So stehen Lasersysteme mit Pulsen zwischen 10 fs und 10 ns, Spektrometer und hochsensitive Detektionssysteme, u.a. EMCCD – Kameras, zur Verfügung.
Energieschema Ein-Photonen-Fluoreszenz Zwei-Photonen-Fluoreszenz
(links) Ein- bzw. (rechts) Zweiphotonenprozess in der
Jablonski Darstellung. 		Fluoreszenz von Coumarin 47 bei fokussierter Ein- (links) und Zweiphotonenanregung (rechts). Bei nichtlinearer Anregung (rechts) ist die Fluoreszenz auf den Fokus des Anregungsstrahls beschränkt.

Ansprechpartner: Dr. Klaus Teuchner, Tel. 0331/977-5491



Thema: Aufbau und Charakterisierung eines Messplatzes zur fs-Pump-Probe-Spektroskopie
für die Messung transienter Absorptionsspektren von bakteriellen Lichtsammelkomplexen

In unserer interdisziplinären Arbeitsgruppe werden Primärprozesse (Lichtabsorption, Anregungsenergietransfer) der Photosynthese in Pflanzen und Purpurbakterien auf einer Femto-/Picosekunden-Zeitskala untersucht. Bisher ungeklärt sind dabei Beiträge von Carotenoiden zu diesen Prozessen. Carotenoide besitzen sog. "optisch dunkle" Anregungszustände, die mit konventionellen spektroskopischen Methoden nicht untersucht werden können.
Nichtlineare Methoden, z.B. Zweiphotonen-Anregung oder transiente Absorptionsmessungen, bieten hier Möglichkeiten des Informationsgewinns. Dabei stehen besonders die energetische Lage der "optisch dunklen" Zustände und deren Beiträge am Energietransfer im Mittelpunkt des Interesses.
Lichtsammelkomplex Carotenoide
Struktur vom Lichtsammelkomplex 1 (LH1)
des Purpurbakteriums Rhodopseudomonas palustris
(Cogdell et al., Photosyn. Res. 81, 207–214, 2004) 		Bakterielle Carotenoide: Methoxy-Neurosporen,
Spheroiden, Spirilloxanthin


Der Rahmen der Diplomarbeit umfasst den Aufbau und die Charakterisierung eines fs-Pump-Probe-Experiments. Transiente Absorptions-Prozesse in Lichtsammelkomplexen sollen erfasst werden, um die Bestimmung der energetischen Lage der „optisch dunklen“ Anregungszustände beteiligter Carotenoide zu ermöglichen.
Es steht dazu ein kommerzielles 100 fs-Lasersystem zur Verfügung, dessen Wellenlänge über einen weiten Spektralbereich durchstimmbar ist. Alle weiteren notwendigen experimentellen Baugruppen sind vorhanden.
In der Arbeitsgruppe liegt eine mehr als zwanzigjährige Expertise, sowohl auf dem Gebiet der nichtlinearen Laserspektroskopie, als auch in der interdisziplinären biophysikalischen Zusammenarbeit vor. Zusätzliche komplementäre Methoden der nichtlinearen Spektroskopie, wie z.B. Zweiphotonenanregung und Nichtlineare Polarisationsspektroskopie in der Frequenzdomäne kommen ebenfalls zum Einsatz.
Einzigartigerweise verfügt die Arbeitsgruppe, u.a. durch internationale Kooperationen, über Präparationen "grüner" und bakterieller Lichsammelkomplexe mit unterschiedlichen Carotenoidkomplementen, deren Untersuchung mit o.g. Methoden interessante Ergebnisse erwarten läßt.
Für die Bearbeitung der Diplomarbeit sind solides Grundwissen der nichtlinearen Spektroskopie, Molekülphysik und Programmierkenntnisse in LabView von Vorteil, aber nicht zwingend notwendig.
In jedem Fall erwarten wir von der Diplomandin/dem Diplomanden Freude an experimenteller Arbeit und ein hohes Maß an Engagement bei der Lösung der Fragestellung.

Ansprechpartner: Dr. Klaus Teuchner, Tel. 0331/977-5491



Thema: Kopplung von Diodenlaserbarren

Diodenlaser sind Schlüsselkomponenten in der modernen Lasertechnik. Sie erreichen sehr hohe Wirkungsgrade bis zu 75%. Durch neue Chip-Designs ersetzen Diodenlaser andere Lasersysteme wie Gas- und Festkörperlaser bereits in vielen Disziplinen.
Die erreichbare Ausgangsleistung ist limitiert durch die Zerstörschwelle der Austrittsfacette. Höhere Leistungen können durch Vergrößerung der Emitterfläche in lateraler Richtung (broad area laser diodes - BAL) oder das Betreiben mehrerer Emitter nebeneinander in Arrays (sog. Barren) erreicht werden.
Moderne Laserbarren (Barren mit 19 BAL) liefern optische Ausgangsleistung im Bereich 100 W. Durch weiteres Stapeln (in sog. Stacks) sind optische Ausgangsleistungen im Kilowatt Bereich möglich. Allerdings erfolgt dabei die Überlagerung der Strahlung der einzelnen Emitter inkohärent. Deshalb ist das Licht für viele Anwendungen in der nichtlineare Optik oder Materialbearbeitung nicht nutzbar.

Zwei Ansätze zur Kopplung der Einzelemitter mehrerer Laserelemente existieren:
  • die spektrale Strahlüberlagerung (spectral beam combining SBC) (Abb. 1)
  • kohärente Kopplung (Abb. 2)

Am Lehrstuhl für Photonik wurden beide Konzepte mit 25 Emittern realisiert [1, 2].

Im Rahmen einer Diplomarbeit oder SHK Stelle sind folgende Problemstellungen zu bearbeiten:
Modellierung der Kopplungsmechanismen, experimentelle Umsetzung der kohärenten Kopplung (bzw. von SBC) in externen Resonatoren.
Dabei kann auf eine erstklassige Laborausstattung zurückgegriffen werden. Eigene Ideen zur Realisierung der Problemstellungen sind ausdrücklich gefordert. Die Publikation und Präsentation der Ergebnisse auf internationalen Fachtagungen ist erklärtes Ziel.

Inkohärent Kohärent
Abb. 1: Spektrale Strahlüberlagerung: Mehrere Laser werden so in einem externen Resonator betrieben, dass sie verschiedene Wellenlängen emittieren. Diese lassen sich durch ein Beugungsgitter zu einem Strahl überlagern. Abb. 2: Kohärente Kopplung: Mittels einer geeigneten diffraktiven Optik (eine Art multipler Strahlteiler) lassen sich die einzelnen Strahlen der Laserlemente überlagern, wobei eine Phasenplatte die Phasenverschiebung zwischen den benachbarten Laserelementen ausgleicht.

[1] V. Raab and R. Menzel, "Phase-locked array of 25 broad-area lasers," Proceedings of SPIE 4629, 24 (2002)
[2] A. Jechow, V. Raab and R. Menzel, "High cw power using an external cavity for spectral beam combining of diode laser-bar emission," Applied Optics 45, 3545 (2006)

Ansprechpartner: Andreas Jechow, Tel. 0331/977-5495



Thema: Pulserzeugung mit Hochleistungs-Diodenlasern

Hochleistungs-Breitstreifen-Laserdioden werden aufgrund ihrer hohen Ausgangsleistung von bis zu 10 W vorwiegend zum Pumpen von Festkörperlasern verwendet. Diese preiswerten Laser möchte man jedoch auch für andere Anwendungen erschließen. So bietet sich die Möglichkeit, die Laserdiode in einem externen Resonator zu betreiben. Über ein entsprechendes Design des Resonators mit Linsen, Spiegeln und Blenden kann die Strahlqualität (M2) der Laserstrahlung deutlich verbessert werden. Mit dem zusätzlichen Einsatz eines Beugungsgitters wird die Emission spektral schmalbandig und der Laser durchstimmbar.
Der Laser kann sowohl kontinuierlich (cw) als auch gepulst betrieben werden [1]. Mit Hilfe eines Puls-Netzteils soll der Laser im "gain-switching"-Modus betrieben werden, um Nanosekunden-Pulse zu generieren.

Pulslaser
Abbildung 1: Hochleistungs-Laserdiode im externen Resonator mit ns-Stromquelle

Aufgaben:
  • Experimentelle Untersuchungen der Emission, insbesondere der Auswirkung der Laseranregung wie Pumppulsdauer, Spitzenstrom und Wiederholrate auf die Form der emittierten Pulse sowie auf das Ein- und Ausschwingverhalten des Lasers
  • Modellierung der Emissionsdynamik im Rahmen eines Bilanzgleichungsmodells, wobei insbesondere der Einfluß des externen Resonators zu berücksichtigen ist

[1] D. Skoczowsky, A. Heuer, A. Jechow, R. Menzel. “Generation of 25 ps pulses by self induced mode locking of a single broad area diode laser with 300 mW average output power.” Optics Communications, vol. 279, pp. 341–345, 2007.

Ansprechpartner: Christof Zink, Tel. 0331/977-5490


Promotionen


Am Lehrstuhl Photonik der Universität Potsdam werden zur Durchführung von verschiedenen Drittmittelvorhaben (BMBF und DFG) in Kooperation mit der Industrie und den Max-Planck-Instituten für Kolloid- und Grenzflächenforschung Postdocs/Doktoranden (Physiker/innen) zur Verstärkung des vorhandenen Teams gesucht, die Erfahrungen in einem der folgenden Gebiete haben:
  1. Experimentelle Quantenoptik
  2. Nichtlineare Laserpektroskopie
  3. Mikroskopie
  4. Nichtlineare Bauelemente und neue Laser
und überdurchschnittliche Leistungen vorweisen können. Geboten werden Qualifikationsmöglichkeit, moderne Labors, zukunftsweisende Themen, Grundlagen- und angewandte Forschung, sehr gute Berufsaussichten, Bezahlung nach Qualifikation, internationaler wissenschaftlicher Austausch.

Studentische Hilfskräfte


Thema: Hardware-Programmierung unter Windows
In den Bereichen Nichtlineare Laserspektroskopie und Diodenlaser müssen verschiedene Meß- und Steuergeräte über Schnittstellen mit einem PC unter Windows95 angesteuert werden. Dazu wird ein/e Student/in gesucht, der/die Erfahrung in der Windows-Programmierung mit Visual oder C++ besitzt und Interesse an interdisziplinärer Arbeit mitbringt. Die Hardwareprogrammierung wird zusammen mit einem Postdoc erarbeitet werden.

Ansprechpartner: Dr. Axel Heuer, Tel. 0331/977-1207
Sekretariat: Susanne Rolle