500 Naturwissenschaften und Mathematik
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By a simple femtosecond laser process, we fabricated metal-oxide/gold composite films for electrical and optical gas sensors. We designed a dripple wavelength AWG-spectrometer, matched to the plasma absorption wavelength region of the composite films. H2/CO absorptions fit well with the AWG design for multi gas detection sensor arrays
Ansätze des maschinellen Lernens werden sowohl in der Forschung als auch in der Praxis eingesetzt, um gewünschte Ausgabedaten anhand bekannter Eingabedaten vorherzusagen. In dieser Masterarbeit wird die Anwendung des maschinellen Lernens in der Batteriedatenanalyse zur Bestimmung des Alterungsstatus von Lithium-Ionen-Batterien untersucht. Das Ziel dieser Arbeit besteht in der Vorhersage von Alterungskurven (englisch state of health - SoH) für Lithium-Ionen Batterien über die Anzahl der Entladezyklen (Zeitachse). Dies erfolgt auf der Grundlage zuvor erfasster Daten für drei Typen von Lithium-Ionen-Batterien, die bei Temperaturen von 15 °C, 25 °C und 35 °C sowie C-Raten von 0,5C, 1C und 2C aufgenommen wurden. Im Zuge dessen wurden die angewandten Methoden des maschinellen Lernens analysiert und ihre Ergebnisse verglichen. Der Umfang dieser Arbeit hebt sich von anderen Ansätzen des maschinellen Lernens in der Batteriedatenanalyse ab, da dieselben Methoden in einem breiteren Spektrum von Daten mit unterschiedlichen Temperaturen und Kathodenmaterialien verwendet wurden. Dies ist für die Analyse von Unterschieden im Verhalten in der Praxis relevant. Nach dem Erwerb und der Vorbereitung der Daten wurden Modelle mit vier ausgewählten Regressionsverfahren (lineare Regression, Ridge-Regression, Random-Forest-Regression und KNN-Regression) des überwachten Lernens trainiert und die Vorhersagen durchgeführt. Aus den Ergebnissen kann eine allgemeingültige Auslegungsgrundlage für weitere Untersuchungen und die praktische Anwendung abgeleitet werden, bei der die Vorhersagen von SoH-Kurven für Lithium-Ionen-Batterien mit linearer Regression und Ridge-Regression die höchste Genauigkeit aufweisen.
Whether at the intramolecular or cellular scale in organisms, cell-cell adhesion adapt to external mechanical cues arising from the static environment of cells and from dynamic interactions between neighboring cells. Cell-cell adhesions need to resist detachment forces to secure the integrity and internal organization of organisms. In the past, various techniques have been developed to characterize adhesion properties of molecules and cells in vitro, and to understand how cells sense and probe their environment. Atomic force microscopy and dual-pipette aspiration, where cells are mainly present in suspension, are common methods for studying detachment forces of cell-cell adhesions. How cell-cell adhesion forces are developed for adherent and environment-adapted cells, however, is less clear. Here, we designed the Cell-Cell Separation Device (CC-SD), a microstructured substrate that measures both intercellular forces and external stresses of cells towards the matrix. The design is based on micropillar arrays originally designed for cell traction-force measurements. We designed PDMS micropillar-blocks, to which cells could adhere and be able to connect to each other across the gap. Controlled stretching of the whole substrate changed the distance between blocks and increased gap size. That allowed us to apply strains to cell-cell contacts, eventually leading to cell-cell adhesion detachment, which was measured by pillar deflections. The CC-SD provided an increase of the gap between the blocks of up to 2.4-fold, which was sufficient to separate substrate-attached cells with fully developed F-actin network. Simultaneously measured pillar deflections allowed us to address cellular response to the intercellular strain applied. The CC-SD thus opens up possibilities for the analysis of intercellular force detachments and sheds light on the robustness of cell-cell adhesions in dynamic processes in tissue development.
This paper presents design, simulation, and optimization of the three-dimensional 1×4 optical multimode interference splitter using IP-Dip polymer as a core and polydimethylsiloxane (PDMS) Sylgard 184 as a cladding. The splitter was simulated by using beam propagation method in BeamPROP simulation engine of RSoft photonic tool and optimized for an operating wavelength of 1.55 µm. According to the minimum insertion loss, the dimensions of the MMI coupler and the length of the whole MMI splitter structure were optimized applying a waveguide with a core size of 4×4 µm2. The objective of the study is to create a design for fabrication by three-dimensional direct laser writing optical lithography.
We present design of planar 16-channel, 100-GHz multi-mode polymer-based AWG. This AWG was designed for central wavelength of 1550 nm applying AWG-Parameters tool. The AWG structure was created and simulated in the commercial photonic tool PHASAR from Optiwave. Achieved transmission characteristics were evaluated by AWG-Analyzer tool. For the design, multi-mode waveguides having a cross-section of (4x4) µm2 were used. The simulated results show strong worsening of the transmission characteristics in comparison when using single-mode waveguides. Nevertheless, the transmitting channels are clearly separated. The reason for using thicker multi-mode waveguides in the design is possibility to fabricate the AWG structure on polymer basis using direct laser writing lithography.
The main aims of this work are the validation of the developed process of gluing a single-mode optical fiber array with a photonic chip and the selection of a more suitable adhesive from the two adhesives being compared. An active alignment system was used for adjusting the two optical fiber arrays to a photonics chip. The gluing was done by two compared UV curable adhesives applied in the optical path. The insertion losses of glued coupling were measured and investigated at two discrete wavelengths 1310 nm and 1550 nm during temperature testing in the climatic chamber according to Telcordia GR_1209_Corei04 [3]. The measurement, investigation, and comparison of insertion losses of the glued coupling at the spectral band from 1530 nm to 1570 nm were done immediately after gluing process and after three temperature cycles in the climatic chamber with one month delay.
X-ray microtomography is a nondestructive, three-dimensional inspection technique applied across a vast range of fields and disciplines, ranging from research to industrial, encompassing engineering, biology, and medical research. Phasecontrast imaging extends the domain of application of x-ray microtomography to classes of samples that exhibit weak attenuation, thus appearing with poor contrast in standard x-ray imaging. Notable examples are low-atomic-number materials, like carbon-fiber composites, soft matter, and biological soft tissues.We report on a compact and cost-effective system for x-ray phase-contrast microtomography. The system features high sensitivity to phase gradients and high resolution, requires a low-power sealed x-ray tube, a single optical element, and fits in a small footprint. It is compatible with standard x-ray detector technologies: in our experiments, we have observed that single-photon counting offered higher angular sensitivity, whereas flat panels provided a larger field of view. The system is benchmarked against knownmaterial phantoms, and its potential for soft-tissue three-dimensional imaging is demonstrated on small-animal organs: a piglet esophagus and a rat heart.We believe that the simplicity of the setupwe are proposing, combined with its robustness and sensitivity, will facilitate accessing quantitative x-ray phase-contrast microtomography as a research tool across disciplines, including tissue engineering, materials science, and nondestructive testing in general.
Parametric anti-resonance is a phenomenon that occurs in systems with at least two degrees of freedom; this can be achieved by periodically exciting some parameters of the system. The effect of this properly tuned periodicity is to increase the dissipation in the system, which leads to a raising in the effective damping of vibrations. This contribution presents the design of an open-loop control to reduce the settling time using the anti-resonance concept. The control signal consists of a quasi-periodic signal capable of transferring the system’s oscillations from one mode to another mode of the system. The general averaging technique is used to characterize the dynamics, particularly the so-called slow dynamics of motion. With this analysis, the control signal is designed for the potential application of a microelectromechanical sensor arrangement; for this specific example, up to 96.8% reduction of settling time is achieved.
Der Klimawandel und der damit einhergehende Temperaturanstieg stellen den Gebäudesektor in Bezug auf die sommerliche Überhitzung vor erhebliche Herausforderungen. Zur Abschätzung der Auswirkungen ist es relevant, Klimadaten für einen angemessenen Zeitraum zu verwenden, um geeignete Maßnahmen zur Hitzeminderung ergreifen zu können.Die sommerliche Überhitzung variiert je nach Gebäudetyp, Standort und örtlichen Gegebenheiten. Aus diesem Grund werden in dieser wissenschaftlichen Untersuchung Wohngebäude mit mehr als zehn Wohneinheiten für das Klimaszenario RCP4.5 im Jahr 2060 in Österreich analysiert. Zur Beurteilung des Wohnkomforts wurden umfangreiche Messungen im Rahmen einer Studie des Energieinstituts Vorarlberg an einem repräsentativen Gebäude über einen längeren Zeitraum durchgeführt. Basierend auf den gewonnenen Messwerten wird ein Referenzgebäude im Gebäudesimulationsprogramm IDA ICE konstruiert und simuliert. Um verschiedene Klimazonen angemessen abzubilden, werden die Standorte Bregenz, Klagenfurt und Wien für das Gebäude im Jahr 2022 betrachtet. Diese Ergebnisse bilden die Grundlage, um den Einfluss des Klimawandels auf die sommerliche Überhitzung abschätzen zu können. Im nächsten Schritt werden die neuen Klimadatensätze für das Klimaszenario RCP4.5 im Jahr 2060 für dieselben Standorte implementiert und mit den Ergebnissen von 2022 verglichen. Dadurch können verschiedene Kennziffern wie maximale Temperaturen, Stundenanzahl mit Temperaturen über 25 °C bzw. 27 °C und die Häufigkeit von Übertemperaturgradstunden herangezogen werden, um die zukünftige Hitzebelastung zu bewerten. Die Ergebnisse zeigen, dass mit einer Erhöhung der maximalen Temperatur, der mittleren Temperatur zwischen Mai und September sowie der Stundenanzahl mit Temperaturen über 25 °C bzw. 27 °C zu rechnen ist. Der Grenzwert von 25 °C wird dabei um 12 bis 29 Prozent überschritten. Die Maximaltem-peratur steigt um vier bis neun Prozent, während sich der Wert für die mittlere Temperatur um zwei bis drei Prozent erhöht. Besonders stark nimmt die Häufigkeit von Übertemperaturen über einen längeren Zeitraum zu. Für die Umsetzung passiver Maßnahmen zeigt sich, dass diese zu einer signifikanten Reduk-tion der Stundenanzahl mit Temperaturen über den Grenzwerten führen können. Auch durch simple Maßnahmen, wie die Integration einer Nachtlüftung, kann eine Absenkung der Tem-peraturen und folglich der Stundenanzahl über den Grenzwerten erreicht werden. Ein thermischer Komfort basierend ausschließlich auf passiven Maßnahmen kann nicht für sämtliche Standorte in der Zukunft gewährleistet werden.
Beyond the Four-Level Model: Dark and Hot States in Quantum Dots Degrade Photonic Entanglement
(2023)
Entangled photon pairs are essential for a multitude of quantum photonic applications. To date, the best performing solid-state quantum emitters of entangled photons are semiconductor quantum dots operated around liquid-helium temperatures. To favor the widespread deployment of these sources, it is important to explore and understand their behavior at temperatures accessible with compact Stirling coolers. Here we study the polarization entanglement among photon pairs from the biexciton–exciton cascade in GaAs quantum dots at temperatures up to ∼65 K. We observe entanglement degradation accompanied by changes in decay dynamics, which we ascribe to thermal population and depopulation of hot and dark states in addition to the four levels relevant for photon pair generation. Detailed calculations considering the presence and characteristics of the additional states and phonon-assisted transitions support the interpretation. We expect these results to guide the optimization of quantum dots as sources of highly entangled photons at elevated temperatures.
The ability of water to form cage-like structures and capture gas molecules under high pressure and low temperatures lead to problems in gas pipelines, especially in the mid-20th century. Also, there is an enormous amount of this so-called gas hydrate, captured in deep sea sediments or in terrestrial permafrost soils in which they reserve a possible degradable energy resource. On the other hand, they also maintain a high risk to enhance the ongoing climate change. At the same time, through their high energy storage ability, gas hydrates exhibit a high potential for industrial applications like alternative energy storage, carbon capture technologies or cleaning of exhaust emissions through separation and storage. But through their complex kinetics and ongoing dynamics through induction, synthesis and dissociation, the usage of hydrates is still far away from relevant industrial application. To make the potential capable there is still a huge amount of basic research necessary: Specially to shorten the induction time. An earlier thesis at FH-Vorarlberg exposed a potential method to shorten the induction time through a stirred reactor with an extremely high stirring rate without the usage of promotors. Therefore, this thesis is dedicated to expose the possible reasons for the witnessed effect through high stirring rates (>10000 rpm) at different pressure and tempera-ture conditions. The goal is to show possible physical effects to shorten the induction time of hy-drate synthesis. Therefore, a stirred reactor is used in which the possible effects should be investi-gated through the research with CO2 hydrates. In the research, there will be a closer look on phe-nomena like cavitation, increasing the phase interface through stirring or pressure fluctuations. The results of this thesis show an interesting connection between pressure, stirring rate and increased phase interface. Furthermore, there are also some exposed significances between stirring under spe-cial conditions which were exposed through statistical analyses. The results show that stirring could possibly be a new driving force when executed under the right conditions.
Die Integration regenerativer und innovativer Energiespeichertechnologien in der Gebäudetechnik ist ein zentraler Bestandteil der Strategie, um die globalen Ziele der Energiewende zu erreichen. Um die Energieeffizienz von Gebäuden zu verbessern, stellen geothermische Energiequellen sowie Erdspeichersysteme in Kombination mit Wärmepumpen und Kältemaschinen eine sehr effiziente Technologie dar. Da bei der Oberflächennahen Geothermie in Abhängigkeit des Standorts eine gemittelte Erdreichtemperatur von 10 °C bereitgestellt wird, kann vorallem bei Niedertemperatursystemen durch die Verwendung von Wärmepumpen eine hohe Jahresarbeitszahl erreicht werden. Wird ein Gebäude zusätzlich noch gekühlt, kann durch die Regeneration des Erdspeichersystems zudem der Effekt der saisonalen Energiespeicherung ausgenutzt werden.
Im Rahmen dieser Arbeit werden drei unterschiedlichen Erdspeichersysteme für ein bestehendes Gebäude mit der Simulationssoftware Ida Ice simuliert. Die in dieser Arbeit verwendeten Erdspeichersysteme sind: Erdwärmesonden, Energiepfähle und Bodenabsorber. Die Speichersysteme werden mit einer Wärmepumpe und Kältemaschine für die Energiebereitstellung und der entsprechenden Regelungstechnik kombiniert. Neben einer energetischen Betrachtungsweise wird zusätzlich eine Wirtschaftlichkeitsberechnung durchgeführt, um die ökonomische Bewertung bei allen Energiespeichersystem mit zu berücksichtigen.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Bewertung der Energiespeichersysteme von vielen Dimensionierungsparametern abhängig sind und jedes System seine Vor- und Nachteile aufweist. Über einen kurzfristigen Zeitraum von zwei Jahren kann durch die Erdwärmesonden die höchste Vorlauftemperatur und dadurch die beste Jahresarbeitszahl erreicht werden. Langzeitsimulationen zeigen jedoch, dass ohne genügend Regenration das Erdreich bei der Erdwärmesondenvariante auskühlt, weshalb in einer zusätzlichen Variante die Regeneration der Erdwärmesonden durch das Verwenden einer Solarthermieanlage simuliert wird. Das Auskühlen des Erdreichs kann bei den Energiepfählen durch die natürlichen Speichereffekte, die aus der Koppelung des Gebäudefundaments mit den Energiepfählen resultieren, vermieden werden, wodurch die Energiepfahlvariante über einen Zeitraum von mehreren Jahren und ohne Regeneration die effizienteste Variante ist. Die Bodenabsorbervariante kann durch die limitierende Dimensionierung aufgrund der Gebäudefundamentoberfläche den Wärmebedarf des Gebäudes nicht decken, wodurch die Heizelemente beim Pufferspeicher aktiviert werden müssen, was zu einer schlechteren Jahresarbeitszahl führt. Auch im Vergleich zu der bestehenden Luftwärmepumpen-Referenzanlage weist die Bodenabsorbervariante einer geringere Jahresarbeitszahl auf, wodurch die Variante als die am wenigste effizienteste bewertet wird. Bei der Wirtschaftlichkeitsberechnung ist die Erdwärmesondenvariante aufgrund der hohen Investitionskosten die teuerste Variante und der Bodenabsorber die günstigste. Eine Sensitivitätsanalyse zeigt jedoch, dass bei einer Energiepreissteigerung die Bodenabsorber aufgrund der Aktivierung der Heizelemente beim Pufferspeicher in Richtung teuerste Variante tendiert.
Die CO2 Abscheidung ist ein Schlüsselprozess für die Dekarbonisierung der Wirtschaft und Industrie. Die Entwicklungspfade der IEA und des IPCC zur Erreichung des CO2 Nettonulle-missionsziel bis 2050 oder 2070 beinhalten alle eine Form von Carbon Capture, (CC). Als vielversprechende CC-Technologie gerät die gashydratbasierte CO2 Abscheidung, hbCC, aufgrund der hohen Speicherkapazität bei moderaten Druck- und Temperaturniveau und des unproblematischen Arbeitsmediums Wasser zusehends ins Interesse der Forschung und In-dustrie. Gashydrate sind unstöchiometrische Einschlussverbindungen, bei denen die Gasmo-leküle in einem Wirtsgitter aus Wassermolekülen gespeichert werden können. In einem m3 Gashydrat können 170 Nm3 Gas gespeichert werden. Die statischen Eigenschaften von Gas-hydrat sind gut verstanden. Die Dynamik der Synthese und Dissoziation, die intrinsische Re-aktionskinetik der Hydratformation, die Nukleation von initialen Kristallisationskeimen und der Einfluss von Wärme- und Stofftransportphänomenen auf die Dynamik ist noch nicht geklärt. Ein profundes Verständnis der Synthese- und Dissoziationsdynamik, inklusive dem Zusam-menhang mit den p,T-Prozessbedingungen, gilt als Voraussetzung für die Entwicklung effizi-enter hbCC-Verfahren. Üblicherweise wird Gashydrat synthetisiert indem flüssiges Wasser mit der Gasphase in Kontakt gebracht wird. Der initial gebildete Hydratfilm auf der Phasen-grenzfläche hemmt in weiter Folge den Stofftransport für das weitere Hydratwachstum. Die CO2 Gasphasenabscheidung durch thermisches Verdampfen unter Druck, (engl. pressurized thermal evaporation, PTE), unterliegt keinem gehemmten Stofftransport, weil Wasserdampf und Gasmoleküle an einer kalten Substratoberfläche kontinuierlich für die Synthese vorliegen. In vorhergehenden Studien wurden subsequente Synthese- und Dissoziationsexperimente durch PTE aus reiner CO2 oder CH4 Gasphase zur Untersuchung der Dynamik durchgeführt. Für diese Arbeit werden erstmals subsequente PTE Synthese- und Dissoziationsexperimente aus einem binären 0,85 N2 + 0,15 CO2 Synthesegasgemisch umgesetzt. Das durch die Syn-these abgeschiedene Gas wird nach der Dissoziation mit einem Massenspektrometer auf seine Zusammensetzung untersucht. Hydratspeicherkapazität, Abscheiderate und die Selek-tivität der CO2 Gasphasenabscheidung wird für eine Synthesetemperaturvariation, (- 40 °C bis - 15 °C), und einen Synthesedruck von 40 bar(a) bestimmt. Durch Zeitrafferauf-nahmen der Hydratformation und Dissoziation wird die Auswirkung der p,T-Prozessbedingun-gen auf die Synthese- und Dissoziationsdynamik untersucht und der optimale Betriebspunkt für die CO2 Gasphasenabscheidung durch thermisches Verdampfen unter Druck bestimmt. Aus den Ergebnissen lässt sich ein klarer Zusammenhang zwischen Synthesetemperatur, Ab-scheiderate und Selektivität ableiten. Ein tiefere Synthesetemperatur führt zu einer effiziente-ren CO2 Abscheidung. Außerdem zeigt sich bei der Beobachtung der Synthesedynamik eine direkte Resublimation des Gashydrats auf der Wachstumsoberfläche. Es bildet sich keine flüssige Übergangsphase vor der Nukleation. Die neuen Erkenntnisse sind wichtige Faktoren für das Design zukünftiger PTE-Verfahren und Prototypen.
In this paper, the design of three-dimensional configuration of Y-branch splitter is compared with Multimode Interference splitter. Both splitters use the IP-Dip polymer as a standard material for 3D laser lithography. The optical properties of the splitters for both approaches are discussed and compared.
The paper deals with designing and numerical modelling a 2 x 2 optical switch for photonic integrated circuits based on 2 x 2 MMI elements and phase modulators. The 2 x 2 optical switch was modelled in the RsoftCAD with the simulation tool BeamPROP. The 2 x 2 optical switch is a common element for creating more complex 1 x N or N x N optical switches in all-optical signal processing.
In this work, we investigated the influence of different etch depths of the rib waveguides on the performance of SiN-based AWGs. For this purpose, an 8-channel 100 GHz AWG was designed for a center wavelength of 850 nm. The design parameters entered were calculated using the AWG-Parameters tool. The simulations were performed with a commercial photonic tool PHASAR from Optiwave. The simulated performance was evaluated using the AWG-Analyzer tool. For the AWG design, we used three identical rib waveguides with different etch depths to simulate possible etch imperfection. The simulations show the wavelength shift and degradation of the AWG performance.
The paper deals with the optimization of 2x2 optical switch for photonic integrated circuits based on two 2x2 MMI splitters and two phase-modulators. The optical switch was modelled in the RSoftCAD with the simulation tool BeamPROP. The optimization was done to minimise the insertion losses and broaden the spectral band at 1550 nm by using linear tapers in a 2x2 MMI splitter topology. The 2x2 optical switch is a common element for creating more complex 1xN or NxN optical switches in all-optical signal processing.
Due to the increasing trend of photonic element miniaturisation and the need for optical splitting, we propose and simulate a new type of three-dimensional (3D) optical splitter based on multimode interference (MMI) for the wavelength of 1550 nm. We present various designs and simulations of various parameters for the optimized MMI splitter. We focus on the possibility of its integration on an optical fiber. The design is focused on a possible production process using 3D laser lithography for the prepared experiments. The MMI splitter was prepared by laser lithography using direct writing process and finally investigated by output characterisation by the near-field measurement.
A new software tool, called AWG-Channel-Spacing, is developed to calculate accurate channel spacing of an arrayed waveguide gratings (AWG) optical multiplexer/demultiplexer. This tool has been developed with the application framework QT in the programming language C++. The tool was evaluated with a design of 20-channel 200 GHz AWG. The achieved simulated transmission characteristics prove the correct functionality of the tool.
This paper describes two different designs of 1×8 passive optical splitters. The first splitter consists of cascade arranged directional waveguide branches (Y-branch splitter) with (0.8×0.16) µm2 waveguide cross-section. The second splitter is based on multimode interference occurring in a large MMI coupler, which uses a self-imaging effect for beam propagation, exhibiting the same waveguide core size as a Y-branch splitter. The waveguide channel profile, used in both approaches, is based on a silicon nitride material platform, with a refractive index of core being nc = 1.925 and a refractive index of cladding ncl = 1.4575. The splitters are designed as a planar structure for a medical operating wavelength 850 nm. Design, simulation, and optimization of passive optical components are performed by a commercial photonic software tool BeamPROP simulation engine by RSoft Photonics Suite tool, employing beam propagation method. This work aims to find the minimum physical dimensions of the designed splitters with the satisfactory optical performance. According to the minimum insertion loss and minimum non-uniformity, the optimum length of the splitters is determined. Finally, the optical properties of splitters for both approaches are discussed and compared with each other.