Photodynamics of a fluorescent tetrazolium salt and shaping of femtosecond Laguerre-Gaussian laser modes in time and space

• Main Author: Bolze, Tom
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: 2018
• Subjects: Tetrazoliumsalze; Fluoreszenz; Femtosekundenlaser; Zeitauflösung; Impulsformung; ddc:500
• Online Access: https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/16090; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-160902; https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-160902; https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/16090/Bolze_Tim_Dissertation.pdf

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. === 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.