Hillmann, Frank: Untersuchungen zur Relaxation von Anregungszuständen im Lichtsammelkomplex des Photosystems II höherer Pflanzen sowie im Halbleiter Cadmiumsulfid mittels Vierwellenmischung
Untersuchungen zur Relaxation von Anregungszuständen im Lichtsammelkomplex des Photosystems II höherer Pflanzen
sowie im Halbleiter Cadmiumsulfid
mittels Vierwellenmischung
DISSERTATION

zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum naturalium
(Dr. rer. nat.)
im Fach Physik

eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
der Humboldt-Universität zu Berlin

von Diplom-Physiker Frank Hillmann ,
geboren am 03. Oktober 1967 in Neubrandenburg

Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin
Prof. Dr. Jürgen Mlynek

Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
Prof. Dr. Bernhard Ronacher

Gutachter:
Prof. Dr. Joachim Voigt
Dr. habil. Volkhard May
3. Prof. Dr. Gernot Renger
Tag der mündlichen Prüfung: 13.11.2001

Schlagwörter:
Vierwellenmischung, Photonenecho, Anregungsenergietransfer, Phasenrelaxation

Keywords:
four-wave mixing, photon echo, excitation energy transfer, dephasing

Zusammenfassung

Methoden der transienten Vierwellenmischung mit Femtosekunden-Zeitauflösung werden angewendet, um die Phasen- und Energierelaxation optisch selektiv erzeugter Anregungszustände im Lichtsammelkomplex II höherer Pflanzen (LHC II) sowie im Halbleiter Cadmiumsulfid (CdS) bei verschiedenen Temperaturen zu untersuchen. Für den LHC II werden die Ergebnisse der Messungen des zeitaufgelösten und integrierten Zweipuls-Photonenechos mit Resultaten aus Pump-Test-Experimenten verglichen, um unter Einbeziehung von Literaturdaten Rückschlüsse über den Charakter der phasenzerstörenden Prozesse zu ziehen und Zusammenhänge zu Strukturdaten des Komplexes aufzudecken. Die vorliegende Arbeit liefert erstmals einen systematischen Überblick über die totalen Phasenrelaxationszeiten T2 im Bereich der Qy-Bande des LHC II von 640 bis 685 nm bei 5 K.

Das bei 5 K beobachtete Photonenechosignal am LHC II zeigt in Abhängigkeit von der Verzögerung der beiden Anregungsimpulse ein multiexponentielles Abklingen, das auf die Überlagerung der Einflüsse mehrerer Relaxationsprozesse zurückgeführt wird. Dabei lassen sich drei charakteristische Bereiche der Phasenrelaxationszeit unterscheiden, die verschiedenen phasenzerstörenden Prozessen zugeordnet werden. Ein Vergleich mit Resultaten aus Pump-Test-Experimenten führt zu der Schlußfolgerung, daß die Phasenrelaxation im LHC II bei 5 K für Wellenlängen le 675 nm im wesentlichen durch den Energietransfer auf einer sub-ps Zeitskala bestimmt wird. Für Wellenlängen > 675 nm steigt die Phasenrelaxationszeit stark an und wird insbesondere im Bereich der tiefsten Anregungszustände um 680 nm durch reine Phasenzerstörung dominiert. Ab 20 K setzt bei dieser Wellenlänge ein zusätzlicher phasenzerstörender Prozeß ein, der mit steigender Temperatur zu einem mäßigen linearen Anstieg der Phasenrelaxationsrate (T2)-1 führt. Die Ursache ist vermutlich ein Aufwärts-Energietransfer. Im Bereich der Chlorophyll a-Absorption vernichten außerdem (physiologisch irrelevante) Multiexzitoneneffekte die Kohärenz der angeregten Zustände, verursacht durch die hohe Anregungsintensität. Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß die Erhaltung der Kohärenz für die Funktionalität des LHC II eine untergeordnete Rolle spielt. Die wesentlichen Prozesse sind der schnelle räumliche Energietransfer und die Energierelaxation auf das Niveau des primären Elektrondonators P680 im Reaktionszentrum.

Am Halbleiter CdS wird erstmals ein mittels Zwei-Photonen-Absorption angeregtes Photonenecho beschrieben, das in Abhängigkeit von der Wellenlänge charakteristische Quantenbeats mit einer Periode von 700 bis 800 fs zeigt. Das stark gedämpfte periodische Echosignal tritt sowohl für positive als auch für negative Verzögerungszeiten tau der Anregungsimpulse auf, wobei die Abklingzeit für tau>0 mit 170±10 fs doppelt so groß ist wie für tau<0. Als Quelle dieses Vierwellenmischungssignals kommt ein weitab vom thermischen Gleichgewicht befindliches Hochdichte-Gas aus freien Ladungsträgern, Exzitonen und Biexzitonen in Betracht. Die Quantenbeats können einer Überlagerung der Response von Exzitonen- und Biexzitonenzuständen zugeordnet werden. Dafür sprechen sowohl das Auftreten von Beats für tau<0 mit der halben Abklingzeit wie für tau>0 als auch die Beat-Periode. Das schnelle Abklingen des Photonenechos kann auf eine Phasenzerstörung zurückgeführt werden, die durch die Energierelaxation der hochenergetischen, hoch angeregten Ladungsträger aufgrund der Wechselwirkung mit Phononen verursacht wird.

Abstract

Transient four-wave-mixing experiments with femtosecond resolution are performed in order to investigate phase and energy relaxation processes of optically excited states in the light harvesting complex II of higher plants (LHC II) and in the semiconductor cadmium sulfide (CdS) at different wavelengths and temperatures. Extensive studies of the time resolved and integrated two-pulse photon echo on LHC II are combined with pump-probe experiments. Results of both methods together with literature data are used to characterize the nature of dephasing processes and to reveal connections with structural data of the complex. This study gives the first systematic survey of total dephasing times T2 in the spectral region of the Qy-absorption band of LHC II from 640 to 685 nm at 5 K.

In the case of LHC II, the photon echo signal at 5 K monitored as a function of delay between both excitation pulses shows a multi-exponential decay which is attributed to the superposition of several relaxation processes. Three characteristic dephasing time domains can be distinguished, ascribed to different dephasing processes. Comparing photon echo and pump-probe results it can be concluded that dephasing in LHC II at 5 K and for wavelengths le 675 nm is dominated by the fast excitation energy transfer on a sub-ps time scale. At wavelengths > 675 nm the total dephasing time increases drastically. The loss of coherence of the lowest excited states around 680 nm at 5 K is mainly determined by pure dephasing. An additional dephasing process, probably uphill energy transfer, occurs at temperatures higher than 20 K leading to a moderate linear rise of the dephasing rate (T2)-1 with increasing temperature. Furthermore, the dephasing in the spectral region of chlorophyll a absorption is affected by (physiologically irrelevant) multi-excitonic effects caused by the high excitation energy. In summary, it can be concluded that the preservation of coherence plays a minor role in the functionality of LHC II. The main processes are the fast spatial excitation energy transfer and the energy relaxation down to the energetic level of the primary electron donor P680 of the reaction center.

Investigations of four-wave mixing signals of the semiconductor CdS resulted in the first description of a two-photon excited photon echo in CdS showing characteristic quantum beats with a period of 700 to 800 fs in dependence on wavelength. The strongly damped periodical echo signal is found for both positive and negative delay times tau between the excitation pulses. The decay time for tau>0 amounts to 170±10 fs and is twice as large as for tau<0. The origin of this four-wave mixing signal is discussed in terms of a high-density gas of free carriers, excitons and excitonic molecules highly out of equilibrium. Observed quantum beats are probably due to the superposition of the nonlinear response originating from excitonic and biexcitonic states. This assumption is confirmed by the observation of beats for tau<0 with a decay time half as large as for tau>0 and the beating period. The fast decay of the photon echo is consistent with the energy relaxation of the highly excited carriers due to interactions with phonons.


Seiten: [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127] [128] [129] [130] [131] [132] [133] [134] [135] [136] [137] [138] [139] [140] [141] [142] [143] [144] [145] [146] [147] [148]

Inhaltsverzeichnis

TitelseiteUntersuchungen zur Relaxation von Anregungszuständen im Lichtsammelkomplex des Photosystems II höherer Pflanzen sowie im Halbleiter Cadmiumsulfid mittels Vierwellenmischung
Abkürzungsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis
1 Einleitung
1.1Die Photosynthese
1.2LHC II - der Lichtsammelkomplex des Photosystems II
1.3Anregungs- und Relaxationsprozesse im LHC II
2 Theoretische Grundlagen
2.1Elektromagnetische Wellen im Medium
2.2Der Dichtematrix-Formalismus
2.2.1Energie- und Phasenrelaxationszeit
2.2.2Störungstheoretische Entwicklung
2.2.3Feynman-Diagramme
2.3Vierwellenmischung
2.3.1Vom induzierten Gitter zum Photonenecho
2.3.1.1Das induzierte Gitter
2.3.1.2Phasenanpassung
2.3.1.3Das transiente Besetzungsgitter
2.3.1.4Der experimentelle Zugang zur Phasenrelaxation
2.3.2Das Zweipuls-Photonenecho
2.3.3Einfarbige Pump-Test Experimente
3 Experimentelle Grundlagen
3.1Das Femtosekunden-Lasersystem
3.1.1Aufbau
3.1.1.1Femtosekunden-Oszillator und Stretcher
3.1.1.2Regenerativer Verstärker und Kompressor
3.1.1.3Optisch-parametrischer Teil
3.1.2Parameteroptimierung
3.1.2.1Verringerung der spektralen Breite
3.1.2.2Verringerung der Fluktuationen
3.2Optimierung des Meßprozesses
3.2.1Automatisierung
3.2.2Meßwerterfassung nach dem Track&Hold-Prinzip
3.2.3Synchron-Chopper
3.2.4Rauschunterdrückung durch Fourieranalyse
3.2.5Streulichtminimierung
4 Degeneriertes Zweipuls-Photonenecho am LHC II
4.1Material und Methoden
4.1.1Der Meßaufbau
4.1.2Direkte integrale Meßmethode
4.1.3Zeitauflösende Meßmethode
4.1.3.1Meßprinzip
4.1.3.2Erzeugung des Torimpulses
4.1.3.3Bestimmung der Torimpulsdauer
4.1.4Untergrundfreie integrale Meßmethode
4.1.5LHC II-Präparation
4.2Experimentelle Ergebnisse und Diskussion
4.2.1Bemerkungen zur Anregungsintensität und zur Stabilität der Proben
4.2.2Das Kohärenz-Artefakt
4.2.3Die Datenanalyse
4.2.3.1Das Modell
4.2.3.2Das Optimierungsprogramm
4.2.3.3Die Festlegung der inhomogenen Verbreiterung
4.2.3.4Die Fehlergrenzen
4.2.4Die Wellenlängenabhängigkeit der Phasenrelaxationszeit bei 5 K
4.2.4.1Experimentelle Ergebnisse
4.2.4.2Vergleichbarkeit von Photonenecho und transienter Absorption
4.2.4.3Ergebnisse der Datenanalyse und Diskussion
4.2.4.3.1Der Wellenlängenbereich von 640 bis 660 nm
4.2.4.3.2Der Wellenlängenbereich von 660 bis 670 nm
4.2.4.3.3Der Wellenlängenbereich von 670 bis 675 nm
4.2.4.3.4Multiexzitoneneffekte
4.2.4.3.5Der Wellenlängenbereich von 680 bis 690 nm
4.2.5Die Temperaturabhängigkeit der Phasenrelaxationszeit bei 680 nm
4.2.5.1Experimentelle Ergebnisse
4.2.5.2Ergebnisse der Datenanalyse und Diskussion
5 Einfarbige Pump-Test-Experimente am LHC II
5.1Einleitende Bemerkungen
5.2Material und Methoden
5.2.1Die LHC II-Proben
5.2.2Der Meßaufbau
5.2.3Die Datenanalyse
5.3Experimentelle Ergebnisse und Diskussion
5.3.1Wellenlängenabhängigkeit der transienten Absorption
5.3.2Linienformanalyse der transienten Absorption bei 640 nm
6 Schlußfolgerungen für die Funktionalität des LHC II
7 Degenerierte Vierwellenmischung am CdS
7.1Einleitende Bemerkungen
7.1.1optische Anregungen in Halbleitern und Pigment-Protein-Komplexen
7.1.2hochenergetische Anregungszustände im Cadmiumsulfid
7.2Charakterisierung der untersuchten Probe
7.3Experimentelle Ergebnisse und Diskussion
7.3.1Zeitauflösende Messungen
7.3.2Der Einfluß von Intensität und Dauer der Anregungsimpulse
7.3.3Die Wellenlängenabhängigkeit
7.3.4Der Einfluß der Temperatur
7.3.5Diskussion
Bibliographie Literaturverzeichnis
Anhang A Publikationen
Danksagung
Lebenslauf
Selbständigkeitserklärung

Tabellenverzeichnis

Tab. 1: Übersicht über die möglichen Frequenzen der Response-Signale bei optischen Prozessen erster bis dritter Ordnung
Tab. 2: Definition der Chopper-Zustände und der zugehörigen Meßgrößen für Zweipuls-Photonenecho- und Pump-Test-Messungen. Der Impuls 1 entspricht dem Testimpuls.
Tab. 3: Totale Phasenrelaxationszeiten und relative Amplituden (in Klammern) für verschiedene Anregungswellenlängen bei 5 K. Die rechte Spalte enthält zum Vergleich einige Literaturdaten für Phasenrelaxations- und Energietransferzeiten bei verschieden Wellenlängen und Temperaturen (in Klammern) unter Angabe der verwendeten experimentellen Methode. Phasenrelaxationszeiten sind kursiv fett gedruckt. (Abkürzungserklärung der Meßmethoden am Tabellenende)
Tab. 4: Totale Phasenrelaxationszeiten und relative Amplituden (in Klammern) bei verschiedenen Temperaturen. Die Anregungswellenlänge beträgt 680 nm.
Tab. 5: Zeitkomponenten der transienten Absorption bei separater Auswertung der einzelnen Wellenlängen. * 4300 ps war die obere Grenze des zulässigen Variationsbereiches für die Abklingzeiten.
Tab. 6: Parameter der Anpassung entsprechend dem Modell in Abb. 56 . Die ersten drei fett gedruckten Parameter gehen als feststehende Vorgaben in die Rechnung ein.

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Hierarchischer Aufbau des Photosystems II.
Quellen: [5] (Laubblatt und Blattquerschnitt), [84] (Chloroplast), [67] (PS II-Membranfragment), [49] (LHC II-Monomer) und [98] (Kernkomplex des PS II)
Abb. 2:Molekularstruktur des LHC II nach Rogl und Kühlbrandt [72] . Links: Trimer, Blick senkrecht auf die Membranebene. Rechts: Monomer, Blickrichtung parallel zur Membranebene. Die Nomenklatur der Chl b (hellgrün), Chl a (blau, Chl a2 rot) und alpha-Helices entspricht Ref. [49] .
Abb. 3: Raumtemperatur-Absorptionsspektrum des trimeren LHC II. Das eingefügte Diagramm zeigt die Absorptionsspektren von in Pyridin gelöstem Chl a bzw. Chl b, ebenfalls bei RT (nach [55] ).
Abb. 4: Absorptionsspektrum der LHC II-Probe im Bereich der Qy-Bande, aufgenommen in einer Küvette mit einer optischen Weglänge von 1 mm bei Raumtemperatur und 5 K.
Abb. 5: Die vier Grundkomponenten der Feynman-Diagramme mit den dazugehörigen Faktoren zur Berechnung von rhobc(n)
Abb. 6: Die vier Basisdiagramme für die Summanden von rho(2)(omega1+omega2) mit dazugehörigen Termschemen. Ein Stern charakterisiert eine Population des entsprechenden Niveaus, ein geteilter, durch eine gebrochene Linie verbundener Stern entspricht einer Polarisation. Die fehlenden vier Diagramme ergeben sich aus a) bis d) durch Vertauschung der Frequenzen omega1 und omega2.
Abb. 7: Interpretation der entarteten Vierwellenmischung als Selbstbeugung an einem induzierten Gitter, das durch die Überlagerung zweier ebener Pumpwellen identischer Wellenlängen erzeugt wird. Der Strahl 2 wird selbst an dem Gitter mit dem reziproken Gittervektor k2-k1 gebeugt und führt zu einer Polarisation mit dem Wellenvektor kS=2k2-k1.
Abb. 8: Phasenanpassung bei der entarteten Vierwellenmischung in einer Anordnung mit gegenläufigen Pumpstrahlen.
Abb. 9: Feynman-Diagramme zum transienten Besetzungsgitter. Die Reihenfolge der Wechselwirkung der zeitlich überlappenden Pumpimpulse 1 und 2 mit dem System ist austauschbar.
Abb. 10: Feynman-Diagramme der zu beitragenden Wechselwirkungen.
Abb. 11: Phasenentwicklung der Polarisation in einem inhomogen verbreiterten Ensemble mikroskopischer Oszillatoren beim Zweipuls-Photonenecho. Jede Linie symbolisiert die Entwicklung der Phasendifferenz zwischen einem Oszillator der Frequenz omegai und eines auf der Mittenfrequenz omega0 schwingenden Oszillators. (Details siehe Text)
Abb. 12: Feynman-Diagramme der für das Zweipuls-Photonenecho relevanten Prozesse.
Abb. 13: Amplitude der nichtlinearen Polarisation als Funktion der Zeit für verschiedene Werte der inhomogenen Verbreiterung deltaomega nach Gl. 32 . Die Phasenrelaxationszeit T2 ist konstant und beträgt in dem angegebenen Beispiel tau / 2.
Abb. 14: Gesamtenergie des emittierten Responsesignals als Funktion der Verzögerungszeit tau für verschiedene Werte der inhomogenen Verbreiterung deltaomega (Resultat der numerischen Integration von Gl. 33 ). Die Punkte kennzeichnen die mit Gl. 34 errechneten Werte für den Fall D (deltaomega=10 T2-1). Die Phasenrelaxationszeit T2 ist konstant. Der senkrechte Strich markiert die in Abb. 13 ausgewählte Verzögerung tau = 2 T2. Das eingefügte Diagramm veranschaulicht das Abklingverhalten der Gesamtenergie mit zunehmender Verzögerung anhand einer halblogarithmischen Darstellung (normiert auf identische Werte bei tau = 5 T2).
Abb. 15: Feynman-Diagramme zum Pump-Test-Experiment.
Abb. 16: Blockschaltbild des Femtosekunden-Lasersystems
Abb. 17: Charakterisierung des Chirps der Impulse nach Durchlaufen verschiedener Laserbaugruppen: A) nach dem Stretcher und Verstärker, B) hinter dem Kompressor und C) am Ausgang des OPG/OPA
Abb. 18: Aufbau des regenerativen Verstärkers
Abb. 19: Zeitliches Profil des Nd:YLF-Lasers. Am Ende des Pumpimpulses ist der anwachsende ps-Impuls deutlich erkennbar, er wird im vergrößerten Maßstab noch einmal hervorgehoben. Die dargestellte Breite des verstärkten Impulses ist durch die Trägheit des Photodetektors bedingt und entspricht nicht dem tatsächlichen zeitlichen Verlauf.
Abb. 20: Feynman-Diagramm der optisch-parametrischen Generation und Aufbau des optisch parametrischen Generators/Verstärkers (OPG/OPA)
Abb. 21: Transformationsbegrenzte spektrale Breite eines Laserimpulses mit gaußförmigem zeitlichen Verlauf und einer Mittenwellenlänge von 680 nm als Funktion der Impulsdauer
Abb. 22: Spektren von Impulsen bei verschiedenen Mittenwellenlängen, die mit der originalen OPG/OPA-Konfiguration erzeugt wurden. Im oberen Bereich der Grafik sind die entsprechenden spektralen Breiten (FWHM) angegeben.
Abb. 23: Durchstimmcharakteristik bei der parametrischen Generation mit nichtlinearen Kristallen des Typs I (Bild A) und Typs II (Bild B) nach [46]
Abb. 24: Einfluß von Luftbewegungen im regenerativen Verstärker auf die Stabilität des OPA-Ausgangssignals. Dargestellt ist die auf den Mittelwert normierte Intensität von 4000 einzelnen, aufeinanderfolgenden Impulsen in der originalen Konfiguration des regenerativen Verstärkers (A) und nach der zusätzlichen Abdeckung des Lichtweges im Resonator (B).
Abb. 25: Häufigkeitsverteilung der auf den Mittelwert normierten Intensität von jeweils 20000 Impulsen am Ausgang des regenerativen Verstärkers, der zweiten Harmonischen Generation und des OPG/OPA mit Angabe der Varianz der entsprechenden Normalverteilung.
Abb. 26: Rauschsignal des Peak-Detektors bei Anschluß eines mit 50\|[OHgr ]\| abgeschlossenen Kabels (Kanal 1) und eines Stromverstärkers mit abgedunkelter Photodiode (Kanal 2). Das Bild wurde aus 1000 Meßwerten erzeugt. Das Rastermaß entspricht der Digitalisierungsgrenze des 14 Bit-AD-Wandlers.
Abb. 27: Synchron-Chopper und Skizze der verwendeten Chopperscheibe. Die roten Kreise markieren die Positionen der jeweils 40 Laserimpulse während eines Umlaufs.
Abb. 28: Spektren und Intensitätsmuster für eine idealisierte rauschfreie Meßreihe A) ohne und B) mit nichtlinearem Anteil unter Verwendung der in Abb. 27 dargestellten Chopperscheibe bei einer Lasertaktrate von 1 kHz.
Abb. 29: Spektrum und Intensitätsmuster für eine reale Meßreihe mit nichtlinearem Anteil unter Einbeziehung der Schuß-zu-Schuß-Schwankungen und einer langsamen Änderung der mittleren Intensität.
Abb. 30: Meßaufbau für das degenerierte Zweipuls-Photonenecho. Durch Entfernen des auf eine Repositionierplatte montierten Spiegels S (roter Pfeil) kann von der integralen auf die zeitauflösende Meßmethode gewechselt werden.
Abb. 31: Signalauswertung einer direkten integralen Zweipuls-Photonenechomessung am LHC II. Links: Summe der Fourierkomponenten bei 50 und 450 Hz bei 1000 Einzelmessungen pro Verzögerungswert. Rechts: dazugehörige Mittelwerte bei verschiedenen Chopper-Zuständen. Zur Definition der Chopper-Zustände siehe Tab. 2 auf Seite 62. Vor der Mittelwertbildung wurde jeder einzelne Meßwert durch den Referenzwert dividiert.
Abb. 32: Halblogarithmische Darstellung des korrigierten Zweipuls-Photonenechosignals aus Abb. 31 . Die Auswertung erfolgte mit der Fourier-Methode (offene Kreise) sowie durch Differenzbildung aus den Mittelwerten der Chopper-Zustände nach Gl. 35 (gefüllte Quadrate).
Abb. 33: Prinzip der zeitauflösenden Messung durch Aufwärtskonvertierung (upconversion). Die dargestellten Impulsformen und das Verhältnis der Impulsbreiten entsprechen in etwa den tatsächlichen experimentellen Bedingungen beim Zweipuls-Photonenecho am LHC II.
Abb. 34: Meßwerte für die verschiedenen Chopper-Zustände einer zeitauflösenden Zweipuls-Photonenechomessung am LHC II (oben) und korrigiertes Photonenechosignal (unten) bei einer festen Verzögerung von tau = 1 ps. Zur Definition der Chopper-Zustände siehe Tab. 2 auf Seite 62.
Abb. 35: Bestimmung der Halbwertsbreite des Torimpulses für die Aufwärtskonvertierung durch Kreuzkorrelation mit dem Streulicht des Pumpimpulses. Unter der Annahme von Gaußprofilen ergibt sich aus den Breiten der Kreuzkorrelation (380 fs) und des Pumpimpulses (245 fs/radic2=173 fs) eine Torimpulsbreite von 340 fs.
Abb. 36: Halblogarithmische Darstellung des integrierten Photonenechosignals (LHC II, 5K, 680 nm), aufgenommen mit der direkten integralen Meßmethode (Ip=3.0×1016 Photonen cm-2 Impuls-1)
und der streusignalfreien Methode unter Benutzung der Aufwärtskonvertierung (Ip=1.5×1016 Photonen cm-2 Impuls-1)
Abb. 37:Halblogarithmische Darstellung der Resultate zweier direkt aufeinanderfolgender Messungen des integrierten Photonenechos unter gleichbleibenden Versuchsbedingungen einschließlich derselben Position des Anregungsgebietes. Parameter: lambda=680 nm, T=5 K, I=2.6×1016 Photonen cm-2 Impuls-1, Dauer jeder Meßreihe: 10 Minuten
Abb. 38: Vierwellenmischungssignal am LHC II (660 nm, 5 K) in der Umgebung des Zeitnullpunktes mit angepaßter Korrelationsfunktion dritter Ordnung in halblogarithmischer und darunter als Einfügung in linearer Darstellung.
Abb. 39: Vierwellenmischungssignal an einer leeren und einer mit reinem Glycerol gefüllten Glasküvette mit einer optischen Weglänge von 1 mm (lineare Darstellung).
Abb. 40 Halblogarithmische Darstellung des integrierten Zweipuls-Photonenechos als Funktion der Verzögerungszeit bei 675 nm und 5 K. Das mehrkomponentige Abklingverhalten ist deutlich zu erkennen.
Abb. 41: Halblogarithmische Darstellung der Photonenechointensität als Funktion der Verzögerungszeit bei 670 nm in verschiedenen Zeitfenstern. Die durchgezogene Linie resultiert aus dem Fit mit zwei Relaxationszeiten: T2A=530 fs und T2B=7.0 ps.
Abb. 42: Halblogarithmische Darstellung der gemessenen Photonenechointensität bei 660 nm als Funktion der Verzögerungszeit (offene Kreise) und des Fits mit zwei Abklingkomponenten (durchgezogene Linie). Die gefüllten Quadrate markieren die Kreuzkorrelationsfunktion der Anregungsimpulse. Im unteren Bereich sind die Residuen für Fits mit einer bzw. zwei Abklingkomponenten dargestellt.
Abb. 43: Halblogarithmische Darstellung des integrierten Photonenechosignals am LHC II als Funktion der Verzögerungszeit in zwei verschiedenen Zeitfenstern. (Ip=1.8×1016 Photonen cm-2 Impuls-1, T=5K, lambda=679 nm)
Abb. 44: Halblogarithmische Darstellung des integrierten Zweipuls-Photonenechos als Funktion der Verzögerungszeit für ausgewählte Wellenlängen bei 5 K
Abb. 45: Halblogarithmische Darstellung des integrierten Zweipuls-Photonenechos als Funktion der Verzögerungszeit für ausgewählte Wellenlängen bei 5 K in zwei verschiedenen Zeitfenstern.
Abb. 46: Vergleich der Vierwellenmischungssignale von LHC II und einem dünnen CdS-Kristall bei 680 nm und 5 K in der Umgebung des Verzögerungszeitnullpunktes (halblogarithmische Darstellung)
Abb. 47: Totale Phasenrelaxationszeiten und die entsprechenden relativen Amplituden bei 5 K als Funktion der Wellenlänge.
Abb. 48: Absorptionsspektrum des solubilisierten LHC II bei 5K (durchgezogene Linie) und zwei ausgewählte Spektren der Anregungsimpulse bei 760 und 684 nm (gebrochene Linien). Die Rechtecke markieren das spektrale Verhalten der Dephasing-Rate (T2B)-1 im Bereich der Chl a Absorption von 660 bis 685 nm.
Abb. 49: Halblogarithmische Darstellung des integrierten Zweipuls-Photonenechos bei 680 nm für ausgewählte Temperaturen als Funktion der Verzögerungszeit, normiert auf das Signalmaximum. (aufgenommen mit der untergrundfreien integralen Meßmethode)
Abb. 50: Halblogarithmische Darstellung des integrierten Zweipuls-Photonenechos bei 680 nm als Funktion der Verzögerungszeit für ausgewählte Temperaturen, normiert auf einen identischen Rauschpegel von 0.01. (aufgenommen mit der direkten integralen Meßmethode)
Abb. 51: Dephasing-Raten (T2B)-1 und (T2C)-1 als Funktion der Temperatur. Das eingefügte Diagramm auf der linken Seite zeigt die Temperaturabhängigkeit der relative Amplitude von T2B. Das eingefügte Diagramm auf der rechten Seite stellt (T2C)-1 in einem erweiterten Temperaturbereich dar.
Abb. 52: Meßaufbau für einfarbige Pump-Test-Messungen
Abb. 53: Relative Absorptionsänderung als Funktion der Verzögerungszeit bei ausgewählten Wellenlängen.
Abb. 54: Amplitudenspektren der Abklingkomponenten (decay associated spectra, DAS) aus der globalen Analyse mit vier Komponenten auf Grundlage der einfarbigen Pump-Test-Experimente. Die Amplituden sind für jede Wellenlänge auf die Summe der Beträge normiert. Das negative Vorzeichen kennzeichnet eine Abnahme der Absorption.
Abb. 55:Hoch aufgelöste transiente Absorption bei 640 nm im Bereich des Pumpimpulses. Die durchgezogene Linie im linken Bild entspricht dem theoretischen Verlauf unter Berücksichtigung eines Zweiniveausystems und der experimentell bestimmten Laserimpulsbreite von 135 fs (FWHM). Die durchgezogen Linie im rechten Bild stellt eine Glättung der Kurve dar.
Abb. 56: Termschema zur Beschreibung der transienten Absorption bei 640 nm für höhere Pumpintensitäten. Das Modell beinhaltet Absorption, stimulierte Emission, Anregungszustandsabsorption sowie Transfer- und Relaxationsprozesse (Details siehe Text).
Abb. 57: Anpassung der transienten Absorption bei 640 nm auf der Grundlage des in Abb. 56 dargestellten Modells unter Verwendung der optimierten Parameter in Tab. 6 . Die glatten Kurven repräsentieren die jeweils beste Anpassung mit (blau) und ohne (rot) resonantem Dreiniveausystem. In der rechten Darstellung mit einem größeren Zeitfenster sind die Kurven nicht mehr unterscheidbar.
Abb. 58: Ausschnitt des Raumtemperatur-Absorptionsspektrums des CdS-Kristalls mit einer Dicke von 30-40 µm im unteren Bereich der Bandkante
Abb. 59: Halblogarithmische Darstellung des integrierten Vierwellenmischungssignals am CdS als Funktion der Verzögerungszeit bei einer Wellenlänge von 680 nm. Die durchgezogene Linie ist eine Anpassung entsprechend Gl. 40 . Die gebrochenen Linien kennzeichnen einen exponentiellen Abfall mit einer Zeitkonstante von T+=168 fs für tau > 0 bzw. T-=84 fs (=168 fs / 2) für tau < 0.
Abb. 60:Zeitauflösende Messung des Vierwellenmischungssignals bei einer Verzögerungszeit von tau = 0.6 ps (Quadrate) und von tau = 0.7 ps (gefüllte Kreise). Die Pfeile markieren die zeitlichen Positionen der Anregungsimpulse. Das Maximum bei t = 2tau (senkrechte Linien) ist das Photonenecho.
Abb. 61: linkes Bild: Halblogarithmische Darstellung einer zeitauflösenden Messung des Vierwellenmischungssignals am CdS bei einer Verzögerungszeit von tau = 0.75 ps. Die durchgezogene Linie stellt eine Anpassung durch die Summe dreier Gaußkurven dar. Die Pfeile markieren die Positionen der Anregungsimpulse
rechtes Bild: zeitliche Positionen der Maxima der Komponenten A, B und C in Abhängigkeit von der Verzögerungszeit. Die durchgezogene Linie entspricht der linearen Funktion tA = 2tau
Abb. 62: Integrale Anteile der Komponenten A, B und C am Gesamtsignal in Abhängigkeit von der Verzögerungszeit. Die jeweiligen Summen aller drei Anteile (Rhomben) stimmen gut mit den zeitintegriert gemessenen Werten (gefüllte Kreise) überein.
Abb. 63:Linkes Bild: halblogarithmische Darstellung des integrierten Vierwellenmischungssignals am CdS als Funktion der Verzögerungszeit bei verschiedenen Anregungsenergien und Impulsbreiten. Die Kurven sind auf das Maximum normiert, die Wellenlänge ist konstant 683 nm. weiße Kreise: Impulsbreite (FWHM) 225 fs / Anregungsenergie in Richtung k1/k2 0.9 µJ/ 2.0 µJ; Kreuze: 200 fs/ 0.86 µJ/ 0.24 µJ; schwarze Kreise : 260 fs/ 2.0 µJ/ 4.4 µJ.
Rechtes Bild: logarithmische Darstellung der Signalenergie bei tau = 0 ps als Funktion des Produktes von einfacher bzw. quadrierter Anregungsimpulsenergie (lambda = 683 nm). Die eingezeichnete Gerade entspricht der linearen Funktion E4WM = 0.12×10-4 µJ-2 E1×E22.
Abb. 64: Halblogarithmische Darstellung der Energie des Vierwellenmischungssignals bei tau = 0 ps als Funktion der Wellenlänge. Die Anregungsenergie ist konstant (E1=0.45 µJ, E2=1.0 µJ).
Abb. 65: Periode des Vierwellenmischungssignals als Funktion der Anregungswellenlänge. Die Skala auf der rechten Seite gibt die Energiedifferenz DeltaE=h/delta an, die der Periode delta entspricht.
Abb. 66: halblogarithmische Darstellung des Vierwellenmischungssignals als Funktion der Verzögerungszeit bei 5 K (Quadrate) und bei Raumtemperatur (Kreise). Die Kurven wurden mit der untergrundfreien Meßmethode aufgenommen.
Abb. 67: Termschema für die Response der Vierwellenmischung von Exzitonen und Biexzitonen nach der Zwei-Photonen-Anregung. Dargestellt ist neben den ungebundenen Exzitonenzuständen der bindende (EB, Biexziton) und antibindende (EA) Zwei-Exzitonen-Zustand.

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Thu Aug 29 10:33:32 2002