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Gefördert durch den Publikationsfonds der Universität Kassel

In communication theory, discrete-time end-to-end channel models play a fundamental role in developing advanced transmission and equalization schemes. Most notable, the discrete-time linear, dispersive channel with additive white Gaussian noise (AWGN) is often used to model point-to-point transmission scenarios. In the last decades, numerous transmission methods for such linear channels have emerged and are now applied in many digital transmission standards. With the advent of high-speed CMOS technology, those schemes have also been adopted in applications for fiber-optical transmission with digital-coherent reception. Many of the applied techniques (e.g., coded modulation, signal shaping, and equalization) are still designed for linear channels whereas the fiber-optical channel is inherently nonlinear. A channel model which obtains the (discrete-time) output symbol sequence from a given (discrete-time) input symbol sequence by an explicit input/output relation is highly desirable to make further advances in developing strategies optimized for fiber-optical transmission. In the past two decades, considerable effort was spent developing channel models for fiber-optical transmission with good trade-offs between computational complexity and numerical accuracy. Most of the early work is, however, concerned with the phenomenology in the optical domain alone, i.e., both the source and the effect of fiber nonlinearity is studied in the continuous-time, optical domain not considering the transmitter and/or receiver front-ends. Here, one promising strategy is, e.g., based on the so-called perturbative approach where non-linear effects are considered as small perturbations to the optical signal. By now, the optical community is faced with a vast number of models based on the perturbation premise, each model with its own assumptions, simplifications, and objectives. The connection between already existing models using complementary views (e.g., one in time-, the other in frequency-domain) is often unclear. A detailed and rigorous derivation for some prominent models is still pending. E.g., the transition from the original continuous-time to the more relevant discrete-time end-to-end model lacks a comprehensive, system-theoretic analysis. Hence, in this dissertation, nonlinear fiber propagation is assessed from a systems-theoretic point of view with applications for communication systems. Based on the theory of nonlinear systems, the present work aims to connect the dots between various, existing channel models, unifying and comparing the different approaches. To that end, the perturbation approach in continuous-time is revisited with a special emphasis on the dual representations of nonlinear systems in time and frequency. From that, a discrete-time end-to-end fiber-optical channel model is derived which includes the transmit-side pulse shaping, the receive-side matched filtering, and T-spaced sampling. As before, two complementary representations of the now time-discretized end-to-end model are present—one in (discrete) time domain, the other in 1/T-periodic continuous-frequency domain. The time-domain formulation coincides with the well-known pulse-collision picture. The novel frequency-domain picture incorporates the sampling operation via an aliased and hence 1/T-periodic formulation of the nonlinear system. This gives rise to an alternative perspective on the end-to-end input/output relation between the spectrum of the discrete-time transmit symbol sequence and the spectrum of the receive symbol sequence. Both views can be extended from a regular, i.e., solely additive model, to a combined regular-logarithmic model to take the multiplicative nature of certain distortions into consideration. A novel algorithmic implementation of the discrete and periodic frequency-domain model is presented. The derived end-to-end model requires only a single computational step and shows good agreement in the mean-squared error sense compared to the oversampled and inherently sequential split-step Fourier method.

Glass fibers (GF) and regenerated cellulose fibers (RCF) are possible partners in the hybrid reinforcement of thermoplastics because of their different properties. Due to the weak bonding properties of polypropylene, coupling agents are used and the fiber volume content is set high to achieve high reinforcing effects. A lower fiber content of GF can raise the toughness properties of a reinforced polypropylene which is investigated in this study with different ratios of GF and RCF. The composites are tested in tensile tests, flexural tests and also in notched Charpy impact tests. The results can be used to compare whether a substitution of GF with RCF or the addition of more GF leads to higher mechanical properties. The tensile and Charpy impact results are compared with the Rule of Hybrid Mixtures (RoHM) to show the deviation to the prediction. Better results in terms of stiffness and strength are seen with a higher total fiber volume, while hybrid reinforced specimens show lower toughness values compared to the RCF reinforced reference specimens. Adding 5 vol% GF to 16 vol% RCF results in an increase in tensile strength by 26%, but also a significant decrease in elongation at break by 65%.

The fiber type, orientation of the fiber, fiber-matrix adhesion, and the fiber length are very important for the performance of a short fiber reinforced plastic. Hybrid reinforced polybutylene terephthalate and reference compounds were tested using tensile, Charpy impact, and three-point bending mechanical tests. The interaction of regenerated cellulose fiber and glass fiber was investigated using a polybutylene terephthalate matrix at a fiber volume content of 10%. The ratios of each fiber type was varied. The compounds were pultruded with an extrusion die to have an even fiber length of 3 mm after granulating. In a second step, the specimens were injection molded for mechanical testing. The results were compared to the rule of hybrid mixtures (RoHM) prediction. It was shown that the results of the hybrid reinforced compound were close to the RoHM prediction. The Charpy impact tests show a high positive hybrid effect. The fiber length shows an interaction that is dependent on the ratio of each fiber type.

Das Projekt verfolgte das Ziel, eine semi-analytische Methode zur Vorhersage von Effekten zu entwickeln, die bei einer Umformung eines Verstärkungstextils auftreten. Es wurde die Analyse von Textilparametern hinsichtlich der zu erwartbaren Drapierbarkeit untersucht und so eine Vorausberechnung von Drapiereffekten ermöglicht, ohne dass hierfür ein komplexes mikromechanisches Modell erforderlich ist. Als Verstärkungstextil wurden vordergründig multiaxiale Glasfasergelege unterschiedlicher textiler Parametervariationen betrachtet.

Faserverstärkte Thermoplaste gewinnen durch Eigenschaften wie die Umformbarkeit, die Schweißbarkeit und eine vereinfachte Rezyklierung zunehmend an Bedeutung für den Leichtbau. Zu einem ganzheitlichen Entwicklungsansatz neuer Werkstoffe gehört auch die Betrachtung und Optimierung der Rezyklierbarkeit, was Thema dieser Arbeit ist. Aktuell forscht das Fraunhoder ICT an der Herstellung von kontinuierlich faserverstärkten Profilen mittels reaktiver Pultrusion auf Basis von ϵ-Caprolactam. Im Rahmen dieser Forschung hergestellte Profile der Materialkombination PA6 und Glasfaser (81 Gew.-%) sollen in dieser Arbeit ein mechanisches Recycling durchlaufen und im Spritzgussprozess verarbeitet werden. Die Verwertung von PA6-GF-Werkstoffen, die im Spritzguss eingesetzt werden ist bereits weitestgehend erforscht. Studien, die die mechanische Rezyklierung von Werkstoffen mit einer den Pultrusions-Profilen ähnlichen Zusammensetzung untersuchen, weisen dagegen keine breit gefächerten Schwerpunkte auf. In den bekannten Forschungsarbeiten wird Mahlgut aus Organoblechen mit Fasergehalten von bis zu 67 Gew.-% in unterschiedlichen Anteilen mit Neuware vermischt. Eine Veränderung des Rezyklatanteils bedeutet somit auch eine Variierung des Glasfasergehaltes. Auch die Notwendigkeit einer Fraktionierung des Mahlgutes wird nicht intensiv diskutiert. Um obige Wissenslücken zu schließen, wird insbesondere untersucht, ob eine Fraktionierung des Mahlgutes sinnvoll ist, wie der Rezyklatanteil (bei konstantem Fasergehalt) und Additive die Charakteristik des Regenerats beeinflussen.Hierzu werden glasfaserverstärkte Pultrusionsprofile zerkleinert und die entstandenen Fraktionen, sowie das ungetrennte Mahlgut in unterschiedlichen Anteilen mit Neuware zu einem PA6-GF30-Regenerat vermengt. Zudem wird untersucht wie eine direkte Verarbeitung im Spritzguss ohne vorherige Extrusion oder Additive die Materialcharakteristiken beeinflussen. Die Auswertungsergebnisse zeigen, dass Regenerate auf Basis des ungetrennten Mahlguts und der Grobfraktion sehr ähnliche Eigenschaften besitzen. Zudem zeigt sich, dass der Einsatz von hitzestabilisierenden Additiven und die direkte Verarbeitung im Spritzguss die verarbeitungsinduzierte Materialschädigung minimieren und zu besseren mechanischen Kennwerten führen. Der Rezyklatanteil beeinflusst insbesondere die Schlagzähigkeit der Regenerate. Die stark abnehmende Zähigkeit der Regenerate mit zunehmendem Rezyklatanteil ist dem Faserdurchmesser des Rezyklats geschuldet. Die Zugeigenschaften von Regeneraten auf Basis der Grobfraktion und des ungetrennten Mahlguts werden nur gering vom Rezyklatgehalt beeinflusst und sind nahe denen der Neuware., Fiber-reinforced thermoplastics are becoming increasingly important for lightweight construction due to properties such as formability, weldability and simplified recycling. A holistic approach to the development of new materials also includes consideration and optimization of recyclability, which is the subject of this thesis. Currently, the Fraunhoder ICT is conducting research into the production of continuous fiber-reinforced profiles by means of reactive pultrusion based on ϵ caprolactam. Profiles produced as part of this research using the material combination PA6 and glass fiber (81 wt.-%) are to undergo mechanical recycling in this work and be processed in the injection molding process. The recycling of PA6-GF materials used in injection molding has already been widely researched. Studies investigating the mechanical recycling of materials with a composition similar to pultrusion profiles, on the other hand, do not have a broad focus. In the known research work, regrind from organic sheets with fiber contents of up to 67 wt-% is mixed with virgin material in varying proportions. A variation in the recycled content thus also means a variation in the glass fiber content. The need for fractionation of the regrind is also not intensively discussed. In order to close the above knowledge gaps, it will be investigated in particular whether fractionation of the regrind is useful, how the recyclate content (at constant fiber content) and additives influence the characteristics of the reclaim. For this purpose, glass fiber-reinforced pultrusion profiles are comminuted and the resulting fractions, as well as the unseparated regrind in different proportions, are blended with virgin material to form a PA6-GF30 reclaim. In addition, it is investigated how direct processing by injection molding, without prior extrusion, and additives influence the material characteristics. The evaluation results show that reclaims based on the unseparated regrind and the coarse fraction have very similar properties. In addition, it is shown that the use of heat-stabilizing additives and direct processing in injection molding minimize processing-induced material damage and lead to better mechanical properties. The recyclate content particularly influences the impact strength of the reclaims. However, the strongly decreasing toughness of the reclaims with increasing recyclate content is due to the fiber diameter of the recyclate. The tensile properties of reclaims based on the coarse fraction and the unseparated regrind are only slightly influenced by the recyclate content and are close to those of virgin material.

Diese Arbeit erforscht die Auswirkungen der Einbettung von faseroptischen Sensoren (im Speziellen Faser Bragg Gitter Sensoren (FBG)) in die Klebschicht von strukturellen Filmklebstoffklebungen. Dabei wird die Eignung verschiedener Glasfasertypen für ein Strukturüberwachungssystem in strukturellen Filmklebstoffklebungen mit Fügeteilen aus kohlenstofffaserverstärken Kunststoff (CFK) untersucht und verglichen. Es werden optische Glasfasern mit unterschiedlichen Durchmessern (50 μm, 80 μm und 125 μm) und unterschiedlichen Beschichtungstypen (Polyimid und Acrylat) getestet. Bei den Filmklebstoffen handelt es sich um epoxidbasierte strukturelle Konstruktions- und Reparaturklebfilme mit integriertem Trägergewebe, die in der Luftfahrtindustrie u.a. zum Fügen von CFK-Bauteilen verwendet werden. Der erste Teil der Arbeit fokussiert auf die mechanischen Eigenschaften der Klebung. Es wird der Einfluss der Sensorfasereinbettung auf die Eigenschaften und insbesondere die Festigkeit der Filmklebstoffklebung durch visuelle, fotomikrografische und mechanische Untersuchungen charakterisiert und quantifiziert. Acrylatbeschichtete Glasfasern mit Durchmessern von 80 μm und 125 μm, sowie polyimidbeschichtete Glasfasern mit einem Durchmesser von 125 μm erweisen sich als ungeeignet, da ihre Einbettung eine starke Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften der Klebung bewirkt. Die polyimidbeschichteten Glasfasern mit einem Durchmesser von 50 μm und 80 μm zeigen einen geringen bis nicht messbaren Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der Klebung. Der zweite Teil der Arbeit fokussiert auf die Beeinflussung der Eigenschaften und Funktion des faseroptischen Sensors durch die Einbettung in die Klebung. Im dritten Teil der Arbeit wird die Eignung von FBGs als eingebettetes Sensorelement für die Messung von Steifigkeitsverlusten in strukturellen Filmklebstoffklebungen anhand von sensorierten Dauerschwingversuchen gezeigt.

In hybrid fiber reinforcement, the combination of glass and regenerated cellulose fibers is a promising combination because the different properties of the fibers can be combined. The properties of the regenerated cellulose fiber in combination with the absorption of energy by fiber pull-outs can thus significantly increase the toughness of the composite in the event of failure, while the glass fiber significantly increases the stiffness and strength due to its properties. In this study, the interaction of the two fiber types in a composite is demonstrated by fiber pull-outs. For this purpose, the fibers are embedded in a PP matrix and simultaneously pulled out. Different bondings of the fiber by, e.g., coupling agent and/or a pretreatment of the regenerated cellulose fiber, were also investigated. The results show that each type of fiber has a characteristic force–deformation curve, and the hybrid reinforcement is a combination of both curves. The use of a coupling agent leads to an increase in the interfacial shear stress from 4.5 to 7.5 MPa. A treatment of the regenerated cellulose fiber by UV light further increases the interfacial shear stress to 11 MPa.

Short glass fiber reinforced plastics (SGFRP) offer superior mechanical properties compared to polymers, while still also enabling almost unlimited geometric variations of components at large-scale production. PA6-GF30 represents one of the most used SGFRP for series components, but the impact of injection molding process parameters on the fatigue properties is still insufficiently investigated. In this study, various injection molding parameter configurations were investigated on PA6-GF30. To take the significant frequency dependency into account, tension–tension fatigue tests were performed using multiple amplitude tests, considering surface temperature-adjusted frequency to limit self-heating. The frequency adjustment leads to shorter testing durations as well as up to 20% higher lifetime under fatigue loading. A higher melt temperature and volume flow rate during injection molding lead to an increase of 16% regarding fatigue life. In situ X-ray microtomography analysis revealed that this result was attributed to a stronger fiber alignment with larger fiber lengths in the flow direction. Using digital volume correlation, differences of up to 100% in local strain values at the same stress level for different injection molding process parameters were identified. The results prove that the injection molding parameters have a high influence on the fatigue properties and thus offer a large optimization potential, e.g., with regard to the component design., Polymers;13(10)

Die Additive Fertigung hat sich ausgehend von einem Prototyping Verfahren hin zu einem serienfähigen Fertigungsverfahren entwickelt, das von der Automobilbranche bis hin zur Luftfahrtindustrie vielfältige Geschäftsfelder bedient. Im Gegensatz zu den subtraktiven Verfahren wird die Bauteilgeometrie bei der additiven Fertigung durch das geometrisch definierte Auf- und Aneinanderfügen von einzelnen Volumenelementen aus der gasförmigen, flüssigen oder festen Phase hergestellt. Das metallische oder polymere Ausgangsmaterial liegt dabei größtenteils in flüssiger, pulverförmiger oder strangförmiger Form vor und wird durch Energieeinwirkung vernetzt, versintert oder verschmolzen. Einerseits bietet die additive Fertigung aufgrund der werkzeuglosen Herstellung, den Möglichkeiten der Funktionsintegration, der Kundenindividualisierung, des Leichtbaupotenzials, der höheren Geometrie- und Designfreiheit sowie den von der Bauteilkomplexität und Stückzahl weitgehend unabhängigen Kosten viele Vorteile. Andererseits hindern bisher sehr hohe Materialkosten, unzureichende mechanische und flammwidrige Bauteileigenschaften mit ausgeprägter Abhängigkeit vom Fertigungsprozess, ein erhöhtes Anisotropieverhalten, fehlende Standardisierung- und Zertifizierungsmodalitäten, hohe manuelle Aufwände und eine diskontinuierliche digitale Prozesskette die industrielle Durchsetzung und flächendeckende Implementierung dieser Technologie. Anhand der Materialextrusion werden gemäß dem Stand der Technik die Potenziale gegenüber einem serienfähigen und industriellen Zielprozess aufgedeckt und quantifiziert. Als Reaktion auf die vergleichsweise niedrigen intra- und interlaminaren Bauteileigenschaften und den unzureichenden Flammschutz werden basierend auf zertifizierten Standardgranulaten und konventionellen Faserhalbzeugen Filamente entwickelt und hergestellt, die aufgrund ihrer eingearbeiteten Kurz- oder Endlosfaserverstärkung die Bedürfnisse eines industriellen Einsatzzweckes erfüllen. Die Herstellung der Filamente auf Basis von Faserbündeln und Hybridgarnen erfolgt durch die Erweiterung und Modifikation einer Druckummantelungsanlage. Die Filamente werden mit Flammschutzmitteln additiviert und bei einer Prüfkörperstärke von 1,0 mm nach UL‑94 V0 qualifiziert, um auch den sicherheitskritischen Einsatz in der Bahnbranche zu ermöglichen. Für die Verarbeitung der Filamente wird auf der Grundlage industrieller Automatisierungskomponenten eine skalierbare 5‑achsige Maschine konstruiert und aufgebaut, die ihre Prozess- und Bahndaten aus einer durchgängigen und digitalen Prozesskette bezieht. Die Entwicklung und Implementierung der integrierten CAx-Prozesskette mitsamt dem Postprozessor fußt auf den bewährten Möglichkeiten subtraktiver Technologien und wird für die Belange der Additiven Fertigung spezifisch programmiert. Anhand der Versuchs- und Messdaten von flammgeschützten und teils glasfaserverstärkten Polyamidprüfkörpern, die nach DIN EN ISO 527‑2 Typ 1A hergestellt werden, wird in Abhängigkeit der Fertigungsparameter bezogen auf die Vorzugsrichtung gezeigt, dass die Spannweite der mittleren Elastizitätsmoduln bis zu 39 % und die der mittleren Zugfestigkeiten bis zu 56 % beträgt. Außerdem wird nachgewiesen, dass mit nominal 20 % Massenanteil Kurzglasfasern je nach flammgeschützter Polyamidmatrix die mittlere Zugfestigkeit um bis zu 33 % und der mittlere Elastizitätsmodul um bis zu 98 % gesteigert wird. Der maximale, mittlere Elastizitätsmodul in Höhe von 12,6 GPa und die maximale, mittlere Zugfestigkeit in Höhe von 146 MPa wird bei Polyamid 6 gemessen, das mit nominal 20 % Massenanteil Kurzcarbonfasern verstärkt ist. Bei den eigens entwickelten Endlosglasfaserfilamenten wird bei einem Faservolumenanteil von ca. 22 % ein Elastizitätsmodul in Höhe von 17,2 GPa und eine Festigkeit von 244 MPa gemessen, wodurch gegenüber den jeweils berechneten Werten vor allem bei der Festigkeit deutliche Einbußen festgestellt werden. Die daraus hergestellten Prüfkörper weisen einen mittleren Elastizitätsmodul in Höhe von 10,9 GPa und eine mittlere Festigkeit von 134 MPa auf, weshalb infolge des additiven Fertigungsprozesses von zusätzlichen, verarbeitungsspezifischen Defekten ausgegangen wird. Die intralaminaren mechanischen Eigenschaften werden durch die Kurz- und Endlosfaserverstärkung trotz der eingearbeiteten Flammschutzmittel und der dadurch induzierten Porenbildung maßgeblich verbessert. In Kombination mit der realisierten CAx-Prozesskette wird die entwickelte Materialbasis für eine Topologieoptimierung eingesetzt, wodurch die Masse eines Demonstrators gegenüber der unverstärkten Ausgangsgeometrie in Summe um 59 % reduziert wird. Um auch den Anforderungen einer verringerten Anisotropie infolge einer erhöhten interlaminaren Adhäsion gerecht zu werden, wird ein IR‑Diodenlaser in das Maschinenkonzept integriert. Aufgrund seines hochenergetischen, lokalen Wärmeeintrags ist dieser dazu geeignet, das Substrat unmittelbar vor beziehungsweise unter dem Extrudat vorzuwärmen. Die interlaminare Festigkeit kann durch den Einsatz des Lasers bei unverstärkten, teilkristallinen Thermoplasten im Gegensatz zu amorphen Thermoplasten nahezu auf die intralaminare Zugfestigkeit gesteigert werden, wodurch ein quasi-isotropes Bauteilverhalten resultiert. Die mittlere, maximal gemessene Zugfestigkeit liegt infolge der Laservorwärmung im Fall von unverstärktem Polyamid 6 bei 58 MPa und damit um 79 % höher als bei Prüfkörpern, die als Referenz mit optimalen Fertigungsparametern auf einem Ultimaker S5 gefertigt werden. Auch bei kommerziell verfügbarem Polyamid 6.66 wird infolge der Laservorwärmung mit einer Standardabweichung von unter 3 MPa eine 55‑prozentige Erhöhung der interlaminaren Zugfestigkeit von 40 MPa auf 62 MPa nachgewiesen. Die Wirtschaftlichkeit der Kurzfaserverstärkung, ausgedrückt durch die Steifigkeit beziehungsweise Festigkeit pro €/kg, bewegt sich auf Grundlage der unverbindlichen Preisempfehlung der Hersteller bei den nicht flammgeschützten Werkstoffen in Bezug auf den Elastizitätsmodul zwischen 60–141 MPa/(€/kg) und bezüglich der Zugfestigkeit zwischen 0,65–1,58 MPa/(€/kg). In der technisch-wirtschaftlichen Gesamtbetrachtung bildet ein Polyamid 6 mit nominal 20 % Massenanteil Kurzcarbonfasern den besten Kompromiss aus Leistungsfähigkeit und Kosten. Die Wirtschaftlichkeit der flammgeschützten Werkstoffe liegt in Bezug auf den Elastizitätsmodul zwischen 25–46 MPa/(€/kg) und bezüglich der Zugfestigkeit zwischen 0,37–0,53 MPa/(€/kg), womit sie generell niedriger als die Wirtschaftlichkeit der nicht flammgeschützten Polyamide kursiert. Die vorteilhafteste Wirtschaftlichkeit unter Einhaltung des erforderlichen Flammschutzes wird durch ein kurzglasfaserverstärktes Polyamid 6.66 erzielt. In Anbetracht dessen, dass die Automobilindustrie den wirtschaftlichen Großserieneinsatz von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen bei Materialpreisen von unter 10 €/kg sieht, scheinen die aktuellen, kommerziellen Materialpreise von ca. 1965 €/kg für ein Endloscarbonfaserfilament des Markführers Markforged selbst bei Annahme niedriger Fasermassenanteile unwirtschaftlich. Im direkten Vergleich von endlosglasfaserverstärkten Filamenten mit annähernd gleichem Faservolumenanteil resultiert zwischen den Materialkosten der Eigenproduktion und den kommerziellen Verkaufspreisen ein Faktor von 38, der selbst nach Abzug der Fertigungs-, Verwaltungs- und Vertriebsgemeinkosten Gestaltungsfreiraum für großzügige Gewinnmargen bietet. Die Wirtschaftlichkeit der kommerziellen Filamente weist generell eine hohe Spannweite auf und wird durch den Einsatz von Standardgranulaten sowie leistungssteigernden Fasern maximiert. Das Gesamtniveau der mechanischen und flammwidrigen Eigenschaften ist durch die in dieser Arbeit erforschten und realisierten Verbesserungen auf der Material‑, Maschinen‑ und Softwareebene nicht nur generell höher, sondern vor allem reproduzierbarer und zuverlässiger, wodurch ein leistungsfähiger, durchgängiger und gesamtheitlicher Fertigungsprozess resultiert, der auch unter wirtschaftlichen Aspekten konkurrenzfähig ist., Starting from a prototyping process, Additive Manufacturing has developed into a production-ready manufacturing process that serves a wide range of business areas from the automotive to the aviation industry. In contrast to the subtractive processes, the component geometry in additive manufacturing is produced by the geometrically defined addition and joining of individual volume elements from the gaseous, liquid or solid phase. The metallic or polymeric raw material is mostly available in liquid, powder or strand form and is cross-linked, sintered or melted by the application of energy. On the one hand, additive manufacturing offers many advantages due to tool-free production, the possibilities of function integration, customer individualization, lightweight construction potential, greater freedom in geometry and design as well as costs that are largely independent of component complexity and lot sizes. On the other hand, very high material costs, inadequate mechanical and flame-retardant component properties with distinct dependence on the manufacturing process, increased anisotropy, lack of standardization and certification modalities, high manual effort and a discontinuous digital process chain have so far hindered the industrial implementation of this technology. By means of material extrusion, the potentials compared to an industrial target process are identified and quantified according to the state of the art. As a reaction to the comparatively low intra- and interlaminar component properties and the insufficient flame retardancy, filaments are developed and produced based on certified standard granules and conventional semi-finished fiber products. The production of the filaments based on fiber bundles and commingled hybrid yarns is done by the extension and modification of a pressured wiring coating and impregnation system. The filaments are compounded with flame retardants and qualified according to UL 94 V0 at a test specimen thickness of 1.0 mm to enable safety-critical use in the railroad industry. For the processing of the filaments, a scalable, five-axis machine will be designed and built on the basis of industrial automation components, which obtains its process and toolpath data from a continuous and digital process chain. The development and implementation of the integrated CAx process chain including the post-processor is based on the proven possibilities of subtractive technologies and is specifically programmed for the needs of additive manufacturing. Based on the test and measurement data of flame-retardant and partly glass fiber reinforced polyamide test specimens, which are produced according to DIN EN ISO 527‑2 type 1A, it is shown that the span of the average modulus of elasticity is up to 39 % and that of the average tensile strength is up to 56 %, depending on the production parameters in relation to the preferred direction. In addition, it is shown that with a nominal 20 % mass share of short glass fibers, depending on the flame-retardant polyamide matrix, the average tensile strength is increased by up to 33 % and the average modulus of elasticity by up to 98 %. The maximum average modulus of elasticity of 12.6 GPa and the maximum average tensile strength of 146 MPa are measured for polyamide 6 reinforced with a nominal 20 % mass fraction of short carbon fibers. For the specially developed continuous glass fiber filaments, a modulus of elasticity of 17.2 GPa and a strength of 244 MPa are measured at a fiber volume fraction of approximately 22 %. The test specimens produced from this material have an average modulus of elasticity of 10.9 GPa and an average strength of 134 MPa, which is why additional, process-specific defects are assumed as a result of the additive manufacturing process itself. The intralaminar mechanical properties are significantly improved by the short and continuous fiber reinforcement despite the incorporated flame retardants and the resulting pore formation. In combination with the implemented CAx process chain, the developed material base is used for topology optimization, which reduces the mass of a demonstrator by a total of 59 % compared to the unreinforced initial geometry. In order to also meet the requirements of reduced anisotropy due to increased interlaminar adhesion, an IR diode laser is integrated into the machine concept. Due to its high-energy, locally heat input, it is suitable for preheating the substrate immediately before or below the extrudate. The interlaminar strength can be increased to almost the intralaminar tensile strength by using the laser for unreinforced, semi-crystalline thermoplastics, in contrast to amorphous thermoplastics, resulting in a quasi-isotropic component behavior. As a result of the laser preheating, the average, maximum measured tensile strength is 58 MPa in the case of unreinforced polyamide 6, which is 79 % higher than for test specimens produced on an Ultimaker S5 as a reference with optimum production parameters. Even with commercially available polyamide 6.66, a 55 % increase in interlaminar tensile strength from 40 MPa to 62 MPa is demonstrated as a result of laser preheating with a standard deviation of less than 3 MPa. Based on the manufacturers' recommended retail price, the economic efficiency of short fiber reinforcement, expressed in terms of stiffness or strength per €/kg, is between 60–141 MPa/(€/kg) for the elastic modulus and 0.65–1.58 MPa/(€/kg) for the tensile strength of non-flame-retardant materials. From a technical and economic point of view, a polyamide 6 with a nominal 20 % mass share of short carbon fibers represents the best compromise between performance and costs. The economic efficiency of flame-retardant materials lies between 25–46 MPa/(€/kg) in terms of modulus of elasticity and 0.37–0.53 MPa/(€/kg) in terms of tensile strength, which is generally lower than that of non-flame-retardant polyamides. The most advantageous economy while maintaining the required flame retardancy is achieved by a short glass fiber reinforced polyamide 6.66. Considering the fact that the automotive industry sees the economic large-scale production of carbon fiber reinforced plastics at material prices of less than 10 €/kg, the current commercial material prices of approximately 1965 €/kg for a continuous carbon fiber filament of the market leader Markforged seem uneconomical even if low fiber mass proportions are assumed. In a direct comparison of continuous glass fiber reinforced filaments with approximately the same fiber volume content, a factor of 38 results between the material costs of in-house production and the commercial sales prices, which even after deduction of the manufacturing, administrative and sales overheads offers scope for generous profit margins. The economic efficiency of commercial filaments generally has a high span width and is maximized by the use of standard granules and performance enhancing fibers. The overall level of mechanical and flame-retardant properties is not only generally higher, but above all more reproducible and reliable due to the improvements on the material, machine and software level, which have been researched and realized in this work.

Gefördert im Rahmen des Projekts DEAL; Hessen State Ministry of Higher Education, Germany; Universiti Sains Malaysia

Die vorliegende wissenschaftliche Abhandlung befasst sich mit der Entwicklung und Verarbeitung von gitterartigen Verstärkungen für Leichtbauanwendungen im Spritzgussverfahren. Für den Anwendungsfall gilt der Kunststoffmontageträger des aktuellen Tiguan als Zielbauteil. Die manuell montierte Metallverstärkung soll durch eine partielle Faserverbundvariante im Spritzguss substituiert werden. Die Grundlagenentwicklung erfolgt von der eindimensionalen Plattenebene, über die zweidimensionale Verformung, bis zum dreidimensionalen Bauteil. Dabei liegt jeweils ein besonderes Augenmerk auf der späteren Implementierung in die Großserie. Ausgewählte Komponentenversuche unter Berücksichtigung der Bauteilfreigabe lassen einen Abgleich zum derzeitigen Serienbauteil zu. Die Basis der gitterartigen Gewebeverstärkung bilden zwei verschiedene Glasfasertypen, die in Vorversuchen bezüglich mechanischer Eigenschaften, Faser-Matrix Interaktion zu Polypropylen und Wirtschaftlichkeit die besten Ergebnisse erzielen. Dabei zeigt sich ein deutlicher Unterschied zwischen thermoplast- und duroplastfreundlicher Schlichte der Fasern. Die daraus hergestellten Gittergewebe unterscheiden sich in der Bindungsart (Dreher- und Leinwandbindung), dem Gitterabstand (3x3, 5x5, 6x6 mm) und der Polymerinfusion (SBR, PP). Die Verarbeitung der Gewebe auf eindimensionaler Ebene erfolgt im Spritzgussverfahren mittels einer einfachen Plattengeometrie. Als Matrix dient ein PP-GF30, wie es für das aktuelle Serienbauteil zum Einsatz kommt. Neben der Optimierung der Spritzgussparameter werden unterschiedliche Angusstypen, Gewebeausrichtungen und Materialdopplungen untersucht. Daraus resultiert, dass ein einlagiger Zuschnitt in Kettrichtung den höchsten Verstärkungseffekt erzielt. Der favorisierte Angusstyp ist ein Filmanguss, der zusätzlich die Ausrichtung der Kurzglasfasern in der Matrix unterstützt. Die mechanische Charakterisierung der Platten zeigt bei der PP-3x3 Variante Kennwerterhöhung gegenüber dem reinen Spritzgussmaterial von bis zu ~40 %. Die Randbedingungen der späteren Bauteilkontur werden über eine zweidimensionale Umformung ermittelt. Der maximale Umformradius der Gewebe und der zugehörige kritische Scherwinkel definieren die faserverbundgerechte Kontur des Verstärkungsbereichs im KUM. Die verstärkten KUM werden hinsichtlich freigaberelevanter Bauteilprüfungen untersucht. Wesentlicher Bestandteil dabei ist ein Crashversuch, der in modifizierter Art durchgeführt wird. Da der Crashversuch unter den getroffenen Annahmen lediglich eine Tendenz darstellt, müssen weitere Versuche nach Euro NCAP durchgeführt werden, um eine Substitution der Metallverstärkungen durch gitterartige Glasfasergewebe für den Grenzlastfall zu belegen. Zu den weiterführenden Aufgaben gehört die Durchführung eines Gesamtfahrzeugcrashs, um die Performance der FVK-KUM in Zusammenspiel mit anderen Fahrzeugkomponenten zu prüfen. Weiterhin ist eine Optimierung der Materialqualität und die Entwicklung eines geeigneten Handlingkonzepts für die Serie umzusetzen., This doctoral thesis deals with the development and processing of a lightweight application using mesh-like reinforcements in the injection molding process. The main target is to replace the manually assembled metal reinforcement of the Tiguan frontend by using the mesh-like reinforcement within the plastic injection process. The development process is divided into three steps or phases. In the beginning it starts with process development on a sheet mold. The second step includes the two-dimensional deformation and the last step is about adopting the results to the three-dimensional component (frontend). In addition to that all steps focus on parameters, which can be upscaled to a serial production process. While using selected component tests from the serial design approval, a comparison between the serial and lightweight frontend is possible. For the mesh-like fabric reinforcement two different types of glass fiber have been chosen by testing and comparing mechanical properties, fiber-matrix interaction with polypropylene and economic aspects. The research of fiber-matrix interaction shows for example a big difference between thermoplastic- and thermoset-friendly size of the fibers. The mesh-like fabrics differ in the type of weave (leno and plain weave), the mesh spacing (3x3, 5x5, 6x6 mm) and the polymer infusion (SBR, PP). In step one the fabrics are processed in an injection molding process in a simple plate geometry (sheet mold). A PP-GF30 is used for matrix material. To find out the ideal parameters of the injection molding process, different sprue types, fabric orientations and material doublings are examined. The preferred sprue type is a film sprue, which also supports the alignment of the short glass fibers in the matrix. Compared to the mechanical properties of the used PP-GF30, plates with the PP-3x3 reinforcement show an increase of there mechanical properties up to ~ 40%. During the second step geometric boundaries for the forming of the reinforcement are evaluated. The maximum forming radius of the fabric and the associated critical shear angle define the fiber-composite contour of the reinforcement area in the frontend. The reinforced frontends are tested by approval-relevant component tests, for examplae crash test. In this doctoral thesis a modified version of the crash test has been used. According to this modification the test results are just showing a trend for the serial application. Taking this into account further tests have to be carried out to ensure that the lightweight version of the frontend fulfills all part requirements. Moreover a complete vehicle crash has to be carried out to check the performance of the reinforced frontend in interaction with other vehicle components. Furthermore an optimization of the material quality and the development of a suitable handling concept for the serial production must be implemented.

The present study investigates the effect of power ultrasonic on the expansion of fiber strands. A potential application of such expansion is in the production process known as closed injection pultrusion. The fiber strand in the pultrusion injection chamber is in compacted form, and so, any expansion of the fiber strand resulting from power ultrasonic should lead to improved fiber wetting. To investigate this, a wetted fiber strand was clamped on two sides and sonicated in the middle from below. The potential expansion of the fiber strand was visually determined through an observation window. The study concluded that power ultrasonic has a minimal to virtually negligible effect on the expansion of both glass and carbon fiber. The degree of expansion remains within a range of 3% maximum, with a standard deviation in the respective midpoint tests of up to 60% for glass fiber and over 100% for carbon fiber. This shows that the fibers are limited in their freedom of movement, and so no expansion can be achieved using power ultrasonic. A further increase in amplitude does not lead to any further expansion but to the destruction of the fibers.

The interphase in short fiber thermoplastic composites is defined as a three-dimensional, several hundred nanometers-wide boundary region at the interface of fibers and the polymer matrix, exhibiting altered mechanical properties. This region is of key importance in the context of fiber-matrix adhesion and the associated mechanical strength of the composite material. An interphase formation is caused by morphological, as well as thermomechanical processes during cooling of the plastic melt close to the glass fibers. In this study, significant injection molding processing parameters are varied in order to investigate the influence on the formation of an interphase and the resulting mechanical properties of the composite. The geometry of the interphase is determined using nano-tribological techniques. In addition, the influence of the glass fiber sizing on the geometry of the interphase is examined. Tensile tests are used in order to determine the resulting mechanical properties of the produced short fiber composites. It is shown that the interphase width depends on the processing conditions and can be linked to the mechanical properties of the short fiber composite., Polymers;Vol 9, 2017, (6), p. 221

Diese Arbeit beschäftigt sich mit den Einsatzmöglichkeiten von Textilbeton unter technischen und ökonomischen Gesichtspunkten, vor allem bei der Sanierung von Stahlbetonbauwerken. Eingangs wird anhand einer umfassenden Literaturrecherche der derzeitige Wissensstand ermittelt und dargestellt. Im weiteren Verlauf der Arbeit wird die Geschichte von Textilbeton und Fasern im Betonbau näher beleuchtet. Ebenso sind typische Schadensbilder und Problemstellungen, die eine Betonsanierung erforderlich machen ein zentrales Thema dieser Arbeit. Für die jeweilige Problemstellung existieren verschiedenste Sanierungsmethoden, die wiederum unterschiedliche Materialen mit bestimmten Eigenschaften benötigen. Diese Eigenschaften, insbesondere von Materialien für Fasern, werden dargestellt bzw. gegenübergestellt. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um Kohlenstofffasern und Glasfasern. Ebenso von Bedeutung ist der rechtliche Aspekt bei der Verwendung von Textilbeton. Die rechtlichen Voraussetzungen für die Anwendung von Textilbeton werden im Anschluss an die technischen Eigenschaften erläutert. Anhand eines Fallbeispiels wird aufgezeigt welche typischen Schadensbilder bei Betonbauwerken vorhanden sind. Als Beispiel dient in diesem Fall ein Garagenkomplex im 22. Bezirk in Wien. Für die Sanierung der Schäden werden verschiedene Sanierungsmethoden untersucht und gegenübergestellt. Dabei wird vor allem der wirtschaftliche Aspekt des Einsatzes von Textilbeton beleuchtet indem die Kosten für die Sanierung mit Textilbeton mit den Kosten für konventionelle Sanierungsmethoden verglichen werden. Abschließend werden die Ergebnisse der Untersuchung zusammengefasst und es folgt ein Ausblick auf die Zukunft des Baustoffs Textilbeton. This thesis deals with application possibilities of textile reinforced concrete under technical and economic aspects, especially for the renovation of concrete buildings. On the basis of a comprehensive literature research, the present state of knowledge is determined and presented. In the further course of the work, the history of textile concrete and fibers in concrete construction will be examined in more detail. Likewise, typical damage pictures and problems that require concrete renovation are a central theme of this thesis. There are a wide range of remediation methods for the particular problem, which in turn require different materials with certain properties. These properties, in particular materials for fibers, will be shown in this thesis. These materials are essentially carbon fibers and glass fibers. Equally important is the legal aspect when using textile concrete. The legal requirements for the application are explained following the technical characteristics. Using a case study, will be found the typical damage patterns for concrete structures. An example of this is a garage complex in the 22nd district in Vienna. Various remediation methods are examined and compared for the remediation of the damage in this garage complex. The economic aspect of the use of textile reinforced concrete is highlighted by comparing the cost of the refurbishment with textile reinforced concrete with the cost of conventional renovation methods. Finally, the results of the investigation are summarized and the future of the building material textile reinforced concrete is outlined. vorgelegt von: Thomas Laschober Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers Wien, FH Campus Wien, Masterarb., 2017

The experimental and numerical work reported here is rooted in ultrafast molecular phenomena and nonlinear fiber optics, which are brought together in a deceptively simple system: a homo-nuclear molecular gas (e.g. H2,D2) loaded in the hollow-core of a broad-band guiding photonic crystal fiber (PCF) and exposed to ultrashort pulses of moderate energies (∼ μJ). On one hand, the choice of a molecular gas as the nonlinear medium provides a rich playground for light-matter interactions. This is because molecules exhibit a coherent and highly non-instantaneous response, associated with their roto-vibrational Raman transitions. This differentiate their response from mono-atomic gases. On the other hand, gas-filled PCF offers exquisite control of the gas-light interaction with a tunable dispersion profile, extended interaction lengths at high intensity and a high-damage threshold. These characteristics, together with the weak and anomalous dispersion, give access to a novel nonlinear dynamics such as solitons, soliton self-compression, supercontinuum generation and dispersive wave emission. Molecular roto-vibrational transitions can be efficiently excited via two-photon inelastic scattering processes, such as coherent Raman scattering, leading to a fast and strong modulation of the gas refractive index, that for light molecular species is characterized by an oscillation period ranging from a few to tens of femtoseconds and lasting over a period of hundreds of picoseconds at a few bars of pressure. As the driving source for these coherent material excitations I used a single ultrashort pulse centered in the near infrared and self-compressing in time along the fiber position. In this way I demonstrated the excitation of rotational, vibrational and rovibrational Raman transitions in hydrogen, characterized by the fastest pure vibrational period in nature (8 fs). By exploring the back-action of these fast refractive index modulations, I demonstrated for the first time the generation, and the guidance of a supercontinuum covering the whole spectral region from the vacuum ultraviolet (≃ 125 nm) to near-infrared (1200 nm). The underlying supercontinuum nonlinear dynamics show several novel albeit complex phenomena, which I investigated through a few different experiments, and theoretically by developing a new numerical and theoretical model. This ultrafast VUV source based on hollow-core PCF is potentially very interesting for a large variety of applications. Here, I report the result of a collaborative work, where it was applied to photoemission spectroscopy of a topological insulator sample. Furthermore, the long-living nature of the Raman driven refractive index modulations opens up a channel to control the nonlinear dynamics of any delayed radiation as the self-compression of a delayed ultrashort pulse as well as the emission of dispersive wave in the UV region, as demonstrated experimentally and numerically in this work. Die experimentellen und numerischen Resultate dieser Arbeit basieren auf Ultrakurzzeit molekularen Phänomenen und nichtlinearer Faseroptik, welche in einem scheinbar simplen System zusammengebracht wurden: ein homonukleares molekulares Gas (z. B. H2, D2, ...) wurde in den hohlen Kern einer breitbandig leitenden photonic crystal fiber (PCF) gefüllt und ultrakurzen Pulsen mit moderaten Energien (~μJ) ausgesetzt. Einerseits ermöglicht die Wahl eines molekularen Gases als nichtlineares Medium vielfältige Licht-Materie Wechselwirkungen, da Moleküle durch ihre Rotations-Vibrations Raman-Übergänge eine kohärente und höchst nicht-instantane Antwort besitzen. Dies unterscheidet ihre Antwort von einatomigen Gasen. Andererseits erlauben gasgefüllte PCFs eine vorzügliche Kontrolle der Licht-Gas Wechselwirkung mit einem anpassbaren Dispersionsprofil, großen Interaktionslängen mit hoher Intensität sowie einer hohen Zerstörschwelle. Diese Merkmale ermöglichen, zusammen mit der geringen anomalen Dispersion, neuartige nichtlineare Dynamiken, wie z. B. Solitonen, Solitonen-Selbstkompression, Superkontinuum-Generierung und die Emission von dispersiven Wellen. Molekulare Rotations-Vibrations Raman-Übergänge können effektiv über inelastische Zwei-Photonen Streuprozesse angeregt werden, wie z. B. kohärente Raman-Streuung, die zu einer schnellen und starken Brechungsindexmodulation des Gases führt, welche für leichte molekulare Gase eine Oszillationsperiode von einigen bis zu einigen zehn Femtosekunden aufweist und bei einigen Bar Druck über hunderte Pikosekunden anhält. Als Pumpquelle für diese kohärenten Materialanregungen wurde ein einzelner ultrakurzer Nah-Infrarot Puls genutzt, der entlang der Faser selbst-komprimiert wurde. Auf diese Weise wurde die Anregung von Rotations-, Vibrations- und Rotations-Vibrations Raman-Übergängen in Wasserstoff gezeigt, welche durch die kürzeste in der Natur vorkommende reine Vibrations-Oszillationsperiode gekennzeichnet sind (8 fs). Durch Ausnutzen der Rückwirkung dieser schnellen Brechungsindexmodulation wurde erstmals die Generierung und Leitung eines Superkontinuums im gesamten Spektralbereich vom Vakuumultraviolett (125 nm) zum Nahinfrarot (1200 nm) demonstriert. Die zugrunde liegenden nichtlinearen Dynamiken der Superkontinuum-Generierung weisen einige neuartige aber auch komplexe Phänomene auf, welche untersucht wurden durch verschiedene Experimente sowie der Entwicklung eines neuen numerischen und theoretischen Modells. Diese Ultrakurzzeit Vakuumultraviolett-Quelle basierend auf Hohlkern PCF ist potenziell sehr interessant für eine große Vielfalt von Anwendungen. In dieser Arbeit werden die Ergebnisse einer Kollaboration vorgestellt, in der die Quelle für die Photoemissionsspektroskopie eines topologischen Isolators angewandt wurde. Darüber hinaus ermöglicht die lang anhaltende Raman-angeregte Brechungsindexmodulation die Kontrolle der nichtlinearen Dynamik von verzögerten Pulsen, wie z. B. der Selbstkompression eines verzögerten ultrakurzen Pulses sowie der Emission von dispersiven Wellen im ultravioletten Spektralbereich. In dieser Arbeit wurde dies experimentell und numerisch demonstriert.

When a laser pump beam of sufficient intensity is incident on a Raman-active medium such as hydrogen gas, a strong Stokes signal, red-shifted by the Raman transition frequency Ω, is generated. This is accompanied by the creation of a “coherence wave” of synchronized molecular oscillations with a wavevector determined by the optical dispersion. Within its lifetime, this coherence wave can be used to shift by Ω the frequency of an arbitrary third optical signal, provided phase-matching is satisfied. The work presented in this thesis investigates how the unique interplay of gas dispersion and modal fiber dispersion in kagomé-type hollow-core photonic crystal fiber (kagomé-PCF) can be tailored to achieve perfect phase-matching under various conditions, making the system suitable for different applications such as frequency or mode conversion. Compared to established techniques, where crossed-beam configurations have to be used, the use of kagomé-PCF enables a fully collinear propagation regime, which along with the tight modal confinement drastically reduce the required pump intensities while still achieving record high conversion efficiencies. We show that in standard kagomé-PCF, broadband phase-matched frequency shifting by Ω is possible in the whole spectral range from the ultraviolet to the near-infrared by operating only with the fundamental LP01 fiber mode. Optionally intermodal scattering can be utilized to simultaneously modify the transverse spatial pattern of the generated light field in a fully controllable way. Furthermore, a novel hybrid waveguide design extends the spectral range of operation even down to the THz-frequency range, making the system a suitable platform for a new type of THz-source. Beyond that, we demonstrate strong suppression of the Raman gain by phase-matching the coherence wave generated by the pump/Stokes fields to the corresponding pump/anti-Stokes transition, an effect which was already predicted in 1964, but so far only observed phenomenologically. The experimental results are complemented by theoretical discussion assisted by numerical analysis that apart from bringing in-depth understanding of the observed phenomena, might also help to design and optimize further schemes like Raman frequency combs, Raman lasers or Raman spectroscopy systems. Wenn ein ausreichend intensiver Pumplaserstrahl auf ein Raman-aktives Medium wie etwa Wasserstoff trifft, entsteht ein ausgeprägtes Stokes Signal, welches um die Raman Übergangsfrequenz Ω rotverschoben ist. Dieser Vorgang wird begleitet von der Anregung einer „kohärenten Welle“ (Englisch: coherence wave) von synchronen molekularen Schwingungen mit einem Wellenvektor der durch die optische Dispersion festgelegt ist. Innerhalb ihrer Lebenszeit, erlaubt die coherence wave die Frequenz eines beliebigen, dritten optischen Signals um Ω zu verschieben - unter der Vorraussetzung, dass eine korrekte Phasenanpassung gegeben ist. Diese Arbeit untersucht, wie das einzigartige Zusammenspiel von Gas- und Modendispersion in Kagomé-Hohlkernfasern genutzt werden kann, um unter verschiedenen Bedingungen perfekte Phasenanpassung zu erreichen. Dies ermöglicht die Nutzung dieses Systems für Anwendungen wie zur Frequenz- oder Modenkonversion. Verglichen mit etablierten Techniken (wie einer gekreuzten Strahlführung) erlauben Kagomé-Fasern vollständige kollineare Strahlführung und eine stark gebundene Mode. Dadurch reduziert sich enorm die benötigte Pumpstrahlintensität bei gleichzeitig unerreicht hoher Konversionseffizienz. Wir zeigen, dass in gewöhnlichen Kagomé-Fasern eine breitbandige, phasenangepasste Frequenzverschiebung um Ω im ganzen Spektralbereich vom Ultravioletten bis hin zum nahen Infraroten möglich ist. Dabei verwenden wir ausschließlich die fundamentale LP01 Mode. Alternativ können wir intermodale Streuung verwenden, um die transversale Struktur des erzeugten Lichtfelds in kontrollierter Weise zu verändern. Außerdem erweitert ein entwickeltes Konzept für einen neuartigen Hybridwellenleiter den nutzbaren Frequenzbereich bis in den THz-Frequenzbereich. Dieser Wellenleiter stellt daher eine Technologieplatform für neuartige THz-Quellen dar. Des Weiteren weisen wir eine ausgeprägte Unterdrückung der Raman-Vertärkung nach, indem die durch die Pumpe/Stokes Felder generierte coherence wave an den Pumpe/anti-Stokes Übergang phasenangepasst wird. Dieser Effekt wurde bereits 1964 vorhergesagt, aber bisher nur phänomenologisch nachgewiesen. Die experimentellen Ergebnisse werden durch eine theorethische Diskussion, sowie durch numerische Analysen komplementiert. Dies ermöglicht ein tiefgehendes Verständnis der beobachteten Phänomene und kann helfen weitere Anwendungen wie Raman-Frequenzkämme, Raman-Laser oder Raman-Spektroskopiesysteme zu entwickeln oder zu verbessern.

This work describes the coupling of a single nitrogen-vacancy (NV) center in diamond to a fiber-based Fabry-Perot cavity. To realize the cavities, concave imprints on fiber facets are produced by laser machining or focused ion beam milling and subsequently coated with a highly reflective mirror-stack. Nanodiamonds containing single NV centers are incorporated into cavities, that consist either of one plane mirror and one fiber mirror or of two fiber mirrors. Characterizing both the emission into free-space and the cavity-coupled emission of the very same NV center allows to demonstrate a cavity-enhanced emission: 2-4% of the total emission of the NV center is directed into the cavity mode with a linewidth of approximately 10 GHz. We thereby have realized a tunable narrow-band single photon source. Starting from a master equation approach a rate equation model is deduced that provides insights into the underlying physical processes: the emitter-cavity coupling leads to phonon induced off-resonant channeling of the emission into the narrow cavity mode. The measurements of the cavity emission rate at different wavelengths are well reproduced by this model. The results of this work are promising for future applications in quantum information science such as realization of a source of indistinguishable photons, cavity enhanced spin read-out of the NV center and realization of a spin-photon interface for use in quantum networks. Diese Arbeit beschreibt die Ankopplung eines einzelnen Stickstoff-Fehlstellen (NV) Zentrums in Diamant an einen faserbasierten Fabry-Perot Mikro-Resonator. Für deren Realisierung werden konkave Strukturen auf Faser-Facetten durch Lasermaterialbearbeitung oder fokussierte Ionenstrahl-Abtragung hergestellt und anschließend hochreflektiv beschichtet. Nanodiamanten, welche einzelne NVs enthalten, werden in den Resonator eingebracht, welcher entweder aus einem Planspiegel und einem Faserspiegel oder zwei Faserspiegeln besteht. Durch Charakterisierung der Abstrahlung in den freien Raum und der Resonator-gekoppelten Emission des gleichen NV Zentrums kann eine überhöhte Abstrahlung in den Resonator nachgewiesen werden: 2-4% der gesamten Emission des NV Zentrums erfolgt in die schmale Resonanz mit einer Breite von circa 10 GHz. Als wichtiges Resultat wurde hiermit eine durchstimmbare schmalbandige Einzelphotonenquelle realisiert. Ausgehend von einem Mastergleichungsansatz wird ein Raten-Modell entwickelt, welches ein physikalisches Bild der ablaufenden Prozesse vermittelt. Es findet eine durch Phononen induzierte, nicht-resonante Kanalisierung der Emission in die Resonatormode statt. Die Messungen der Resonatoremission als Funktion der Wellenlänge werden sehr genau durch das Modell reproduziert. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind vielversprechend im Hinblick auf Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung wie z.B. die Realisierung von Quellen einzelner ununterscheidbarer Photonen oder die Realisierung einer Spin-Photon Schnittstelle zur Anwendung in Quantennetzwerken.

Es werden Verbundwerkstoffe betrachtet, die durch modifizierte Fertigungsstrategien des konventionellen Resin Transfer Molding (RTM)-Verfahrens hergestellt wurden. Für eine spätere Prozessbewertung werden die mechanischen Eigenschaften der Verbunde unter quasistatischer Belastung gemessen und sowohl materialbezogen als auch prozessbezogen diskutiert sowie abschließend mit dem konventionellen RTM-Prozess abgeglichen. Der Prozessvergleich erfolgt mittels einer analytischen Modellierung.

eingereicht von: Thomas Köpplmayr Linz, Univ., Diss., 2014 OeBB (VLID)4520872

In this thesis we discuss how to combine optical fiber technology with metallic nanostructures. We present techniques to incorporate gold nanowires in photonic crystal- and microstructured-fibers. The unique optical properties of both, dielectrics and metals, result in a synergy between light manipulation on the nanoscale on the one hand and signal transmission using optical fibers on the other hand. We show that a gold nanowire, placed in the center of a photonic crystal fiber core, effectively attenuates all modes except the azimuthally polarized mode. Therefore the fiber acts as an azimuthal polarizing filter having a spectral bandwidth of almost three optical octaves. The local polarization state and near-field distribution of surface plasmon polaritons, excited on a coupled gold nanowire array, are measured for the first time in the 2D transverse dimensions. Using a new fabrication technique, based on wet chemical etching and mechanical cleaving, we have fabricated sharp gold nanotips, attached to optical fibers, that show strongly localized plasmonic “hotspots” and can act as novel near-field probes. The experimental results are complemented by theoretical discussions, comprising optical properties of dielectrics and metals, guided modes in cylindrical symmetric waveguides, surface plasmon polaritons and hybrid dielectric-metal structures supporting photonic-plasmonic supermodes. In dieser Dissertation beschreiben wir, wie optische Glasfasertechnologie mit metallischen Nanostrukturen verbunden werden kann. Wir zeigen Techniken, mit denen Gold Nano-drähte in Photonische Kristall- und Mikrostrukturierte-Fasern eingebaut werden können. Die besonderen optischen Eigenschaften von Dielektrikas und Metallen ergeben eine Synergie zwischen Lichtmanipulation im Nanobereich einerseits und Signalübertragung durch optische Fasern andererseits. Wir zeigen, dass ein Gold-Nanodraht, zentriert im Kern einer Photonischen Kristallfaser, alle Moden mit Ausnahme der azimuthal-polarisierten Mode effektiv absorbiert. Die Faser wirkt dadurch wie ein Filter für azimuthal-polarisierte Moden und hat eine spektrale Bandbreite von beinahe drei optischen Oktaven. Zum ersten Mal wird der 2-dimensionale lokale Polarisationszustand und die Nahfeld-Verteilung einer gekoppelten Anordnung von Gold Nanodrähten gemessen. Durch eine neue Verfahrensweise, basierend auf nass-chemischem Ätzen und mechanischem Brechen, können wir scharfe Gold Nanospitzen herstellen. Diese zeigen stark lokalisierte plasmonische “hotspots” und können als neuartige Nahfeldsonden verwendet werden. Die experimentellen Ergebnisse werden durch theoretische Abhandlungen ergänzt. Diese beinhaltet optische Eigenschaften von Dielektrikas sowie Metallen, geführte Moden in zylindrisch symmetrischen Wellenleitern, Oberflächenplasmonen Polaritonen und hybriden Strukturen, bestehend aus Dielektrikas und Metallen welche photonisch-plasmonische Übermoden unterstützen.

Photonische Hohlkernfasern (engl.: hollow-core photonic crystal fibres – HC-PCFs) bieten die einzigartige Möglichkeit, eine wohldefinierte und lichtintensive optische Mode in einem Medium mit kleinem Brechungsindex zu leiten. Dies ist in einer konventionellen optischen Glasfaser ein Ding der Unmöglichkeit. Füllt man zudem die löchrige Struktur der Faser mit einer Flüssigkeit, so beträgt der Überlapp einer darin gelösten oder suspendierten Probe mit dem Lichtfeld fast 100%. Gleichzeitig ist die Strahlungsintensität im etwa 20 µm kleinen Faserkern im Vergleich zu konventionellen opto-analytischen Methoden um mehrere Größenordnungen erhöht. Mit anderen Worten: Die Hohlkernfaser verwandelt sich in einen exzellenten optofluidischen Kanal, der eine noch nie da gewesene Licht-Materie-Wechselwirkung entlang seiner Länge erlaubt. Die Grundlagen für die vorliegende Arbeit finden sich im gesamten Gebiet der Naturwissenschaft und Technik. Ich werde daher zunächst eine einführende Übersicht der für meine Studien wichtigen Themengebiete geben. Im Rahmen der aufstrebenden Forschungsgebiete Biophotonik und Optofluidik werde ich anschließend zwei ganz unterschiedliche Anwendungsmöglickeiten von HC-PCFs demonstrieren, die dazu dienen sollen die Forschung in den Lebenswissenschaften voranzutreiben. Zum einen werden die einzigartigen Eigenschaften optofluidischer PCFs ausgenutzt um mittels optischer Kräfte einzelne Zellen über bislang unerreichte Strecken zu transportieren. Durch die Enge im Faserkern wirken auf die Zelloberfläche erhöhte Scherkräfte, welche die Deformation der Zelle hervorrufen. Dies wiederum zieht eine Veränderung der Propagationsgeschwindigkeit nach sich, was wir auf praktische Weise mit einer bildgebungsfreien Doppler-Geschwindigkeitsmessung aufzeichnen. Aus diesem Grunde stellen optofluidische PCFs ein vielversprechendes neues Werkzeug für die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften einer Zelle dar, die ein wichtiger Indikator für ihren Gesundheitszustand sind. Zum anderen werden optofluidische PCFs als photochemische Mikrodurchflussreaktoren verwendet. Dabei zeigt sich, dass sich durch die mikrofluidische Integration der Faser die Effektivität einer massenspektrometrischen Analyse drastisch steigern lässt. Dies ist von besonderer Bedeutung für das Screening von potentiellen Medikamenten für die lichtaktivierbare Chemotherapie. Wenn man die Grenzen der Methode weiter ausreizt, wird es letztlich vielleicht sogar möglich sein detailliertere Informationen über deren Wirkmechanismus in situ zu erhalten. Die vorgestellten neuen Methoden für die Zellbiologie und Photochemie demonstrieren sowohl das vielversprechende Potential als auch die vielseitige Anwendbarkeit von optofluidischen PCFs. Dies eröffnet eine fundamental neue Möglichkeit: Biomedizinische Forschung in fibra – in der Faser. Hollow-core photonic crystal fibre (HC-PCF) features the unique possibility to guide a defined and bright optical mode in a low refractive index material. This is totally impossible in conventional optical fibres. Moreover, when filling PCF’s holey structure with liquid medium, the overlap of a dissolved or suspended sample with the light field is close to unity. At the same time the irradiance in the about 20 µm small fibre core is increased by several orders of magnitude compared to conventional opto-analytical techniques. In other words: HC-PCF turns into an outstanding optofluidic channel to allow unprecedented light-matter interaction along its length. The foundations of this thesis can be found throughout all of science and technology. An introductory review of the relevant fields of study will therefore be given. Within the framework of the emerging fields of biophotonics and optofluidics, I will then demonstrate two rather different applications of optofluidic PCFs for the advancement of the life sciences. Firstly, the unique properties of optofluidic PCFs are exploited for unchallenged long-range transportation of individual cells by radiation forces. Moreover, due to the confined space inside the core, shear forces on the cell surface are greatly enhanced and provoke deformation. This causes changes in propagation speed that are conveniently monitored using a non-imaging Doppler-velocimetric technique. Therefore, optofluidic PCFs represent a budding new tool for the investigation of cellular mechanics, which is an important indicator of a cell’s state of health. Secondly, optofluidic PCFs are used as microflow photochemical reactors. It becomes clear that upon microfluidic integration of the fibre, the efficiency of a mass-spectrometry-based analysis is drastically enhanced. This is particularly important for the screening and study of potential drugs for photoactivated chemotherapy. Pushing the limits further, it might eventually be possible to retrieve detailed information on their mechanism of action in situ. The presented new methods for cell biology and photochemistry demonstrate both the impressive potential and the versatile applicability of optofluidic PCFs. This creates a fundamentally new approach: biomedical research in fibra – in the fibre.

The present work deals with the development and application of an acoustic long-period fiber grating (LPG) in conjunction with a special optical fiber (SF). The acoustic LPG converts selected optical modes of the SF. Some of these modes are characterized by complex, yet cylindrically symmetric polarization and intensity patterns. Therefore, they are the guided variant of so called cylindrical vector beams (CVBs). CVBs find applications in numerous fields of fundamental and applied optics. Here, an application to high-resolution light microscopy is demonstrated. The field distribution in the tight microscope focus is controlled by the LPG, which in turn creates the necessary polarization and intensity distribution for the microscope illumination. A gold nanoparticle of 30 nm diameter is used to probe the focal field with sub-wavelength resolution. The construction and test of the acoustic LPG are discussed in detail. A key component is the piezoelectric transducer that excites flexural acoustic waves in the SF, which are the origin of an optical mode conversion. A mode conversion efficiency of 85% was realized at 785 nm optical wavelength. The efficiency is, at present, mainly limited by the spectral positions and widths of the transducer’s acoustic resonances. The SF used with the LPG separates the propagation constants of the second-order polarization modes, so they can be individually excited and are less sensitive to distortions than in standard weakly-guiding fibers. The influence of geometrical parameters of the fiber core on the propagation constant separation and on the mode fields is studied numerically using the multiple multipole method. From the simulations, a simple mode coupling scheme is developed that provides a qualitative understanding of the experimental results achieved with the LPG. The refractive index profile of the fiber core was originally developed by Ramachandran et al. However, an important step of the present work is to reduce the SF’s core size to counteract the the appearance of higher-order modes at shorter wavelengths which would otherwise spoil the mode purity. Using the acoustic LPG in combination with the SF produces a versatile device to generate CVBs and other phase structures beams. This fiber-optical method offers beam profiles of high quality and achieves good directional stability of the emitted beam. Moreover, the device design is simple and can be realized at low cost. Future developments of the acoustic LPG will aim at applications to fiber-optical sensors and optical near-field microscopy.:Abstract / Kurzfassung iii Table of contents v 1 Introduction 1 2 Fundamentals of optical waveguides 5 2.1 Introduction 5 2.2 Maxwell’s equations and vector wave equations 5 2.3 Optical waveguides 7 2.3.1 Dielectric waveguides 7 2.3.2 Metallic waveguides 9 2.4 Numerical calculation of modes by the multiple multipole program 10 2.4.1 Representation of simulated mode fields 11 2.5 Overview of coupled mode theory 14 2.5.1 Coupled mode equations 14 2.5.2 Co-directional coupling 15 2.6 Summary and conclusions 16 3 Polarization control for fundamental and higher order modes 17 3.1 Introduction 17 3.2 Description of light polarization 18 3.2.1 Stokes parameters and the polarization ellipse 18 3.2.2 Polarization of light beams in free space 20 3.2.3 Polarization of light beams in optical fibers 21 3.3 Short overview of cylindrical vector beam generation 22 3.4 Excitation of cylindrical vector beams in optical fibers 27 3.4.1 Free-beam techniques 27 3.4.2 In-fiber techniques 29 3.5 Polarization control in optical fibers 30 3.5.1 Phase matching and the beat length 30 3.5.2 Polarization-maintaining single-mode fibers 32 3.5.3 Higher-order mode polarization-maintaining fibers 32 3.6 Summary and conclusions 34 4 Simulation of core-ring-fibers 36 4.1 Introduction 36 4.2 Model geometries for index-tailored optical fiber 37 4.2.1 Special fiber and fabrication 37 4.2.2 Elliptical core boundaries 39 4.2.3 Overview of the applied MMP Models 41 4.3 Simulation results for circular core geometry 43 4.3.1 Mode fields 43 4.3.2 Scaling of the core radii 43 4.3.3 Wavelength dependence 48 4.4 Simulation results for non-circular geometry 50 4.4.1 Mode fields 50 4.4.2 Effects of individual rotation angles 53 4.4.3 Wavelength dependence 56 4.5 Summary and conclusions 61 5 Long period fiber gratings 63 5.1 Introduction 63 5.2 Principle of long-period fiber gratings 64 5.2.1 Results from coupled mode theory 64 5.2.2 Types of long-period gratings 65 5.2.3 Properties of acoustic long-period fiber gratings 67 5.3 Acoustic long-period grating setup 68 5.3.1 Transducer 69 5.3.2 Mechanical coupling 72 5.3.3 Acoustic dispersion of an optical fiber 75 5.3.4 Optical setup 77 5.3.5 Comparison to other acoustic LPG geometries 81 5.4 Experimental results 82 5.4.1 Transmission spectra 82 5.4.2 Discussion of transmission results 88 5.4.3 Direct mode field observation 93 5.4.4 Discussion of mode field observations 97 5.4.5 Time behavior and grating amplitude modulation 99 5.5 Summary and conclusions 101 6 Application of higher order fiber modes for far-field microscopy 104 6.1 Introduction 104 6.2 Complex beams in high-resolution far-field microscopy 104 6.3 Theoretical considerations 106 6.4 Experimental details 111 6.5 Results 114 6.6 Discussion 118 6.7 Summary and conclusions 122 7 Summary and outlook 124 Acknowledgments 139 Publications related to this work 142 List of figures 144 List of tables 150 List of acronyms 151 Diese Arbeit behandelt die Entwicklung und Anwendung eines akustischen langperiodischen Fasergitters (LPG) in Verbindung mit einer optischen Spezialfaser (SF). Das akustische LPG wandelt ausgewählte optische Modi der SF um. Einige dieser Modi weisen eine komplexe, zylindersymmetrische Polarisations- und Intensitätsverteilung auf. Diese sind eine Form der so genannten zylindrischen Vektor-Strahlen (CVBs), welche in zahlreichen Gebieten der wissenschaftlichen und angewandten Optik zum Einsatz kommen. In dieser Arbeit wird eine Anwendung auf die hochauflösende Lichtmikroskopie demonstriert. Die fokale Feldverteilung wird dabei durch die Auswahl der vom LPG erzeugten Modi, welche zur Beleuchtung genutzt werden, eingestellt. Als Nachweis wird die entstehende laterale Feldverteilung mithilfe eines Goldpartikels (Durchmesser 30 Nanometer) vermessen. Aufbau und Test des akustischen LPGs werden im Detail besprochen. Eine wichtige Komponente ist ein piezoelektrischer Wandler, der akustische Biegewellen in der SF anregt. Diese sind die Ursache der Umwandlung optischer Modi. Die maximale Konversionseffizienz betrug 85% bei 785 nm (optischer) Wellenlänge. Die Effizienz ist derzeit hauptsächlich durch die Lage der akustischen Resonanzfrequenzen des Wandlers und deren Bandbreite begrenzt. Die benutzte SF spaltet die Ausbreitungskonstanten von Polarisationsmodi zweiter Ordnung auf, sodass diese individuell angeregt werden können und weniger anfällig gegen über Störungen der Faser sind, als das bei gewöhnlichen, schwach führenden Glasfasern der Fall ist. Das zu Grunde liegende Brechzahlprofil des Faserkerns wurde von Ramachandran et al. entwickelt. Für diese Arbeit wurde jedoch die Ausdehnung des Profils verkleinert – ein erster Schritt um Anwendungen bei kürzeren optischen Wellenlängen zu ermöglichen. Es werden numerische Simulationen mit der Methode der multiplen Multipole zur Berechnung der Modenfelder und den zugehörigen Propagationskonstanten vorgestellt. Diese zeigen u. a. den starken Einfluss von geometrischen Veränderungen des Faserkerns. Basierend auf den Simulationsergebnissen wird ein einfaches Kopplungsschema für die Modi entwickelt, welches ein qualitatives Verständnis der experimentellen Ergebnisse ermöglicht. In Kombination bilden die SF und das LPG ein vielseitiges Gerät zur Erzeugung von CVBs und anderen Strahlen mit komplexer Phasenstruktur. Die Methode besticht durch hohe Qualität des Strahlprofils, stabile Abstrahlrichtung, einfachen Aufbau, elektronische Steuerbarkeit und geringe Materialkosten. Zukünftige Weiterentwicklungen des akustischen LPGs zielen auf die Anwendung in faseroptischen Sensoren und in der optischen Nahfeldmikroskopie ab.:Abstract / Kurzfassung iii Table of contents v 1 Introduction 1 2 Fundamentals of optical waveguides 5 2.1 Introduction 5 2.2 Maxwell’s equations and vector wave equations 5 2.3 Optical waveguides 7 2.3.1 Dielectric waveguides 7 2.3.2 Metallic waveguides 9 2.4 Numerical calculation of modes by the multiple multipole program 10 2.4.1 Representation of simulated mode fields 11 2.5 Overview of coupled mode theory 14 2.5.1 Coupled mode equations 14 2.5.2 Co-directional coupling 15 2.6 Summary and conclusions 16 3 Polarization control for fundamental and higher order modes 17 3.1 Introduction 17 3.2 Description of light polarization 18 3.2.1 Stokes parameters and the polarization ellipse 18 3.2.2 Polarization of light beams in free space 20 3.2.3 Polarization of light beams in optical fibers 21 3.3 Short overview of cylindrical vector beam generation 22 3.4 Excitation of cylindrical vector beams in optical fibers 27 3.4.1 Free-beam techniques 27 3.4.2 In-fiber techniques 29 3.5 Polarization control in optical fibers 30 3.5.1 Phase matching and the beat length 30 3.5.2 Polarization-maintaining single-mode fibers 32 3.5.3 Higher-order mode polarization-maintaining fibers 32 3.6 Summary and conclusions 34 4 Simulation of core-ring-fibers 36 4.1 Introduction 36 4.2 Model geometries for index-tailored optical fiber 37 4.2.1 Special fiber and fabrication 37 4.2.2 Elliptical core boundaries 39 4.2.3 Overview of the applied MMP Models 41 4.3 Simulation results for circular core geometry 43 4.3.1 Mode fields 43 4.3.2 Scaling of the core radii 43 4.3.3 Wavelength dependence 48 4.4 Simulation results for non-circular geometry 50 4.4.1 Mode fields 50 4.4.2 Effects of individual rotation angles 53 4.4.3 Wavelength dependence 56 4.5 Summary and conclusions 61 5 Long period fiber gratings 63 5.1 Introduction 63 5.2 Principle of long-period fiber gratings 64 5.2.1 Results from coupled mode theory 64 5.2.2 Types of long-period gratings 65 5.2.3 Properties of acoustic long-period fiber gratings 67 5.3 Acoustic long-period grating setup 68 5.3.1 Transducer 69 5.3.2 Mechanical coupling 72 5.3.3 Acoustic dispersion of an optical fiber 75 5.3.4 Optical setup 77 5.3.5 Comparison to other acoustic LPG geometries 81 5.4 Experimental results 82 5.4.1 Transmission spectra 82 5.4.2 Discussion of transmission results 88 5.4.3 Direct mode field observation 93 5.4.4 Discussion of mode field observations 97 5.4.5 Time behavior and grating amplitude modulation 99 5.5 Summary and conclusions 101 6 Application of higher order fiber modes for far-field microscopy 104 6.1 Introduction 104 6.2 Complex beams in high-resolution far-field microscopy 104 6.3 Theoretical considerations 106 6.4 Experimental details 111 6.5 Results 114 6.6 Discussion 118 6.7 Summary and conclusions 122 7 Summary and outlook 124 Acknowledgments 139 Publications related to this work 142 List of figures 144 List of tables 150 List of acronyms 151

1.1 Hintergrund und Ziele Die Verwendung von Stiftaufbauten bei der Wiederherstellung von tief zerstörten Zähnen ist wesentlicher Bestandteil der Endodontie. Neben der Auswahl des geeigneten Stifts ist auch ein adäquater Befestigungszement für einen langfristigen Erfolg wichtig. Aus diesem Grund wurden in dieser Langzeitstudie drei verschiedene adhäsive Zemente (EmbraceTM , MultiCore® Flow, RelyXTM Unicem) hinsichtlich ihrer möglichen Auswirkungen auf die koronale Mikroleakage untersucht. Die gewonnenen Ergebnisse sollen als Basis für eine mögliche Empfehlung dienen. 1.2 Material und Methode Für die vorliegende Zwei-Jahres-Studie wurden 120 menschliche einwurzelige Unterkieferincisivi in 0,5%iger Chloramin-T-Lösung gesammelt und maschinell mit FlexMaster® und ProFile® auf eine einheitliche Größe von .04/#45 aufbereitet. Anschließend erfolgte die Obturation mit einer sektionierten Wurzelkanalfüllung. Nach einwöchiger Aushärtung des Wurzelfüllmaterials fand die Präparation einer 10 mm langen Stiftkavität mittels des Erlanger Stift-Systems statt. Daraufhin spülte man die Wurzelkanäle mit destilliertem Wasser, trocknete diese und brachte, unter Verwendung der drei zu untersuchenden adhäsiven Befestigungszemente (EmbraceTM , MultiCore® Flow, RelyXTM Unicem), die Glasfaserstifte ein. Somit ergaben sich drei Gruppen à 40 Zähnen. Das Anmischen und Verarbeiten der verwendeten Zemente geschah dabei konform den Herstellerangaben. Nach Verschluss des koronalen Zugangs und Versiegelung mit Nagellack unterzog man die Zähne zu vier verschiedenen Untersuchungszeitpunkten (3, 6, 12 und 24 Monaten) einem Farbstoffpenetrationstest. Pro Untersuchungszeitpunkt wählte man jeweils zehn Zähne aus jeder der drei Gruppen aus. Dadurch ergab sich eine Einteilung der Zähne in zwölf Untergruppen: Gruppe 1a–4a: EmbraceTM , Gruppe 1b–4b: MultiCore® Flow, Gruppe 1c–4c: RelyXTM Unicem. Von den in Epoxidharz eingebetteten Proben fertigte man Serienschnitte mithilfe einer Innenlochsäge an und wertete diese unter einem Lichtmikroskop bei 40-facher Vergrößerung aus. 1.3 Ergebnisse Die Ergebnisse zeigten, dass die lineare Penetration (two-way-ANOVA) signifikant abhängig ist vom Material (p = 0,000) sowie von der Zeit (p < 0,001). Im Gegensatz dazu kam es bei der Kombination aus Material und Zeit nicht zu einer Signifikanz (p = 0,419). Für die zwölf Untergruppen ergab der lineare Penetrationstest folgende Mittelwerte: 1a: (1,0), 2a: (2,3), 3a: (1,5), 4a: (1,8) für EmbraceTM; 1b: (1,3), 2b: (1,8), 3b: (1,2), 4b: (1,9) für MultiCore® Flow und 1c: (1,7), 2c: (4,1), 3c: (2,9), 4c: (2,9) für RelyXTM Unicem. Die geringsten linearen Penetrationstiefen hatten die Materialien EmbraceTM und MultiCore® Flow (1a– 4a/ 1b–4b). 1.4 Schlussfolgerungen Die Messungen der Farbstoffpenetrationstiefe ergaben, dass die Dichtigkeit des adhäsiven Verbunds im Laufe der Zeit nachlässt. EmbraceTM und MultiCore® Flow zeigten im Verlauf von zwei Jahren eine geringere Mikroleakage als das verwendete RelyXTM Unicem. Aufgrund der in dieser Studie gewonnenen Ergebnisse kann die Verwendung von EmbraceTM und MultiCore® Flow empfohlen werden. 1.1 Objective The use of posts for the restoration of deeply decayed teeth is an essential part of endodontics. Beside the selection of the correct post, also an adequate luting cement is important to achieve success in the long-term. Therefore, three different adhesive cements (EmbraceTM, MultiCore® Flow, RelyXTM Unicem) were tested in this long-term study for their influence on coronal sealing efficiency. The obtained results should serve as a basis for a possible recommendation. 1.2 Materials and Methods In this 2-yr study 120 extracted human lower single-rooted mandibular incisors were stored in 0.5 % of chloramine-T solution and instrumented with FlexMaster® and ProFile® to a uniform size of .04/#45. The specimens were obturated using a sectional obturation technique. The sealer was allowed to set for one week. Post cavities with a length of 10 mm were prepared with the ER-post system. Finally, the root canals were rinsed with distilled water, dried, and the fibre posts were applied by using the three investigated adhesive luting cements (EmbraceTM , MultiCore® Flow, RelyXTM Unicem). By doing so, three groups with 40 teeth each were generated. The cements were mixed and used according to manufacturer’s instructions. After the coronal access was closed and sealed with nail varnish, its sealing efficiency was tested by means of dye penetration at four different observation times (3, 6, 12 and 24 months). The specimens were embedded in polyurethane resin and serially cross-sectioned with an inner diameter saw. The Slices were investigated by using a light microscope and 40-fold magnification. 1.3 Results The results show that linear dye penetration (two-way-ANOVA) was significantly affected by luting cement (p = 0.000) and time (p < 0.001). In contrast, the combination of luting cement and time did not reveal significant differences (p = 0.419). The linear dye penetration test yielded following mean values for the twelve groups: 1a: (1.0), 2a: (2.3), 3a: (1.5), 4a: (1.8) for EmbraceTM; 1b: (1.3), 2b: (1.8), 3b: (1.2), 4b: (1.9) for MultiCore® Flow and 1c: (1.7), 2c: (4.1), 3c: (2.9), 4c: (2.9) for RelyXTM Unicem. EmbraceTM and MultiCore® Flow showed the least penetration depth (1a–4a/ 1b–4b). 1.4 Conclusion The results of the test showed that density decreases over the course of time. In a period of two years, EmbraceTM and MultiCore® Flow demonstrated lower microleakage than RelyXTM Unicem did. Because of the outcome of this study, the use of EmbraceTM and MultiCore® Flow can be recommended.

By using non-metallic textile reinforcements for concrete structures, the concrete cover can be reduced significantly compared to ordinary steel-reinforcements resulting in thin-walled, slender and light-weight concrete structures. The weight of the structure can be largely reduced which is important especially for prefabricated concrete members. Next to non-impregnated textiles, today, textiles which are impregnated are mainly used as reinforcement. Due to the impregnation and the following curing process, tensile stresses up to 3000 MPa can be achieved depending on the fiber material. Furthermore, impregnated textiles can be shaped both as planar and spatial reinforcement structures, additionally, are robust and inherently stable and, thus, are suitable as reinforcements in concrete structures. Today, fibers made of alkali-resistant glass or carbon are commonly used as reinforcing materials combined with epoxy-resin or styrene-butadiene as impregnation-materials. For the design of textile-reinforced concrete structures it is necessary to use calculation models, which have been applicable only for non-impregnated textiles. This PhD-Thesis deals with impregnated textile reinforcements for concrete members. Experimental and theoretical investigations regarding the load-bearing behavior under tensile loads, bending moments and shear forces are presented. Furthermore, the bond behavior is characterized and, with the help of the derived bond laws, anchorage lengths as wells as overlapping lengths are derived. Those lengths are in the range between 20 mm to 100 mm for textiles which are impregnated with epoxy resin and between 120 mm to 320 mm for styrene butadiene. In addition it is shown, that the bond laws are suitable for calculating crack widths. The theoretical investigations are based on an experimental database, which has been build up within the scope of this thesis and consist of nearly 600 single tests. The tensile behavior is influenced by the lateral contraction of the rovings. For bend-ing loads it is shown, that the resistant bending moment can be calculated in a pure mechanical way similar to the procedure as it is known from steel-reinforced concrete members. The shear-behavior has been investigated on slabs (rectangular cross-section with slab thicknesses between 30 mm and 60 mm, without shear reinforcement) and I-beams (with and without shear reinforcement). The main failure mode of the slabs was a diagonal shear-failure occurring already at small reinforcement-ratios. Next to the transfer of the shear loads over the compression zone a distinctive dowel-action was investigated, which can be up to 50% of the overall shear force. In contrast to this, the main shear forces of the I-beams without shear reinforcement were transferred via the compression zone. For the beams with shear reinforcement it was found, that the shear reinforcement can be utilized up to 40% of the strain observed in the roving tests. Finally, engineering models for tensile loads, bending moments and shear forces have been derived, which can be used now for calculating concrete members reinforced with impregnated textiles.

In neuesten numerischen und experimentellen Untersuchungen haben sich die Modulationsformate kohärentes optisches QPSK mit Polarisationsmultiplex (DP-CO-QPSK) und QAM als äußerst vielversprechend für die Realisierung von 100 Gbit/s Ethernet der nächsten Generation (100 GbE) und noch höheren Datenraten von z.B. 224 Gbit/s und 400 Gbit/s erwiesen. Kohärente Detektion in Verbindung mit digitaler Signalverarbeitung (DSP) stellt eine effiziente Methode zur Kompensation diverser linearer Effekte, wie z.B. chromatische Dispersion (CD) und Polarisationsmodendispersion (PMD) bei der Übertragung über Glasfasern dar und weist weiterhin geringe Anforderungen an das optische Signal-zu-Rausch-Verhältnis (OSNR) auf. Trotz Faserdispersion und Nichtlinearitäten, welche die bedeutendsten limitierenden Faktoren darstellen, werden in optischen Übertragungssystemen höherwertige Modulationsformate eingesetzt, um die spektrale Effizienz zu erhöhen und somit die stetig wachsende Nachfrage nach größeren Übertragungskapazitäten zu erfüllen. Daraus resultierend ist die Thematik der Kompensation linearer Effekte wie z.B. chromatischer Dispersion und von Nichtlinearitäten wie z.B. Selbstphasenmodulation (SPM), Kreuzphasenmodulation (XPM) und Vierwellenmischung (FWM) derzeit von hohem Interesse. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der ‚Digital Backward Propagation‘ (DBP) Algorithmus zur gleichzeitigen Kompensation linearer und nichtlinearer Verzerrungen bei der Übertragung über Glasfasern in Systemen mit höheren Datenraten und fortgeschrittenen Modulationsformaten eingehend untersucht. DBP basiert auf der numerischen Umsetzung der inversen nichtlinearen Schrödinger Gleichung (NLSE) unter Verwendung von ‚Split-Step Fourier Methoden‘ (SSFM). Die Einflüsse: (a) der Datenrate, z.B. 10 Gbit/s, 40 Gbit/s und 100 Gbit/s; (b) der Länge der faseroptischen Übertragungsstrecke und (c) von Einkanal- im Vergleich zu Mehrkanal-Übertragung auf die Leistungsfähigkeit des DBP Algorithmus werden ausgewertet. Für diese Untersuchungen kommen gängige SSFM Methoden zum Einsatz, wie z.B. die Asymmetrische Split-Step Fourier Methode (A-SSFM) und die Symmetrische Split-Step Fourier Methode (S-SSFM). Basierend auf der Analyse dieser Resultate wurde eine neue Methode vorgeschlagen, die als Modifizierte DBP (M-DBP) bezeichnet wird und SSFM verwendet, welche durch eine Optimierung des Berechnungspunktes des nichtlinearen Operators (r) umgesetzt wird. Normalerweise beträgt r = 0 für A-SSFM und r = 0.5 für S-SSFM, wohingegen für M_DBP 0 ≤ r ≤ 0.5 beträgt. Der Einfluss der Auswahlmethode zur Bestimmung der Schrittweite auf die Leistungsfähigkeit des DBP wurde ebenfalls untersucht. Bisherige Algorithmen und mathematische Modelle des DBP werden mit SSFM Methoden mit konstanter Schrittweite umgesetzt. Die numerischen Ergebnisse machen ersichtlich, dass die nichtlineare Toleranz durch Verwendung des DBP Algorithmus basierend auf einer logarithmischen Schrittweite (L-DBP) verbessert wird. Ich habe diesen Algorithmus in 56 Gbit/s, 112 Gbit/s, 224 Gbit/s DP-QPSK Systemen mit WDM Übertragung von 20, 10 und 5 Kanälen untersucht. Weiterhin wurde das Konzept der gefilterten nichtlinearen Schritte beim L-DBP angewendet und mittels des auf einer logarithmischen Schrittweite basierende DBP Algorithmus mit interner Filterung (FL-DBP) konnte der Rechenaufwand um bis zu 75% reduziert werden, d.h. Multi-Span DBP, was bedeutet, dass ein Berechnungsschritt über mehrere Faserspans durchgeführt wird. Ein weiterer Ansatz der angewendet wurde um die Systemeigenschaften des DBP zu verbessern ist die Berücksichtigung der Optimierung der Pulsformen. Verschiedene Pulsformen wurden untersucht, darunter: Non-return to zero (NRZ), Return to zero (RZ) und Root Raised Cosine (RRC) Pulse in einem 112 Gbit/s DP-QPSK Übertragungssystem. Die Ergebnisse zeigen anschaulich, dass die RRC Pulsformung toleranter bezüglich Intra-Kanal Nichtlinearitäten ist, d.h. SPM, und folglich die Nichtlineare Schwelle des Übertragungssystems erhöht. Die Toleranzen des DBP Algorithmus gegenüber Schwankungen, die die Informationen über den Aufbau der Übertragungsstrecke betreffen, wurde ebenfalls eingehend geprüft. Zum Abschluss der Dissertation fokussiere ich mich auf ein 224 Gbit/s DP-16QAM Übertragungssystem, um die Leistungsfähigkeit der M-DBP und L-DBP Algorithmen für verschiedene Fasertypen in homogenen wie auch inhomogenen Faserstrecken zu vergleichen. Diese Untersuchung wird weiterhin ausgeweitet auf den Vergleich von DP-16QAM mit einem Modulationsformat mit gleicher spektraler Effizienz, d.h. Duobinär mit Quadraturphase und Polarisationsmultiplex (DP-QDB), wobei die Komplexität des DBP Algorithmus für beide Formate analysiert wird. Die Hauptmotivation für die Serie von numerischen Untersuchungen hinsichtlich der Übertragung mittels Polarisationsmultiplex liegt in der Untersuchung der Leistungsfähigkeit des DBP Algorithmus bei erhöhter Übertragungskapazität im Vergleich zur Übertragung mittels einer einzelnen Polarisation. Ungeachtet der Tatsache, dass die Leistungsfähigkeit von Übertragungssystemen mit Polarisationsmultiplex von der Polarisationsmodendispersion (PMD) abhängt, wird diese im Rahmen dieser Arbeit als vernachlässigbar angesehen. Auch dass PMD einen stochastischen Prozess darstellt und der DBP Algorithmus lediglich deterministische Beeinflussungen kompensieren kann. Die wichtigste Zielsetzung dieser Arbeit liegt in der Bereitstellung eines Leitfadens zum Verständnis des DBP Algorithmus im Falle unterschiedlicher Methoden der Implementierung, unterschiedlicher Übertragungssysteme und Auslegung der Übertragungsstrecke. Die vorliegenden numerischen Untersuchungen werden weiterhin beim zukünftigen Einsatz der DBP Algorithmen in Modulen mit Echtzeit-Signalverarbeitung zur digitalen nichtlinearen Entzerrung hilfreich sein. Recent numerical and experimental studies have shown that dual polarization coherent optical QPSK (DP-CO-QPSK) and QAM modulation formats are the strong candidates for implementing next-generation 100Gbit/s Ethernet (100 GbE) and also for higher bit-rates, i.e. 224Gbit/s and 400Gbit/s. Coherent detection is considered efficient along with digital signal processing (DSP) to compensate many linear effects in fiber propagation i.e. chromatic dispersion (CD) and polarization-mode dispersion (PMD) and also offers low required optical signal-to-noise ratio (OSNR). Despite of fiber dispersion and non-linearities which are the major limiting factors, optical transmission systems are employing higher order modulation formats in order to increase the spectral efficiency and thus fulfill the ever increasing demand of capacity requirements. As a result of which compensation of linear effects i.e chromatic dispersion (CD) and non-linearities (NL), i.e. self-phase modulation (SPM), cross-phase modulation (XPM) and four-wave mixing (FWM), is a point of high interest these days. In this thesis, the detailed study on the Digital Backward Propagation (DBP) algorithm for the joint compensation of linear and non-linear fiber transmission impairments in the systems with higher bit-rates and advanced modulation formats has been performed. DBP is based on the numerical implementation of inverse non-linear Schrodinger equation (NLSE) by using split-step Fourier (SSFM) methods. The impact of: (a) bit-rate, i.e. 10Gbit/s, 40Gbit/s and 100Gbit/s; (b) fiber transmission length and (c) single channel vs. multi-channel transmission, on the performance of DBP algorithm are evaluated. In these investigations, the conventional SSFM methods, i.e. Asymmetric split-step Fourier method (A-SSFM) and Symmetric split-step Fourier method (S-SSFM) are used. Based on the analysis of these results, a new method has been proposed, called as Modified DBP (M-DBP), using SSFM which is implemented by optimizing the non-linear operator calculation point (r). Usually r=0 in A-SSFM and r=0.5 in S-SSFM, whereas 0

Hollow-core photonic crystal fibers have made possible sustained and tailorable nonlinear gas-light interactions over extended distances. This thesis contains experimental and numerical studies of near-infrared femtosecond pulses propagating in argon-filled kagomé photonic crystal fiber. This particular fiber system possesses a number of favorable properties such as pressure-tunable group velocity dispersion. More fundamentally, the low interaction between light and the glass structure, and the inertness of the filling gas enable damage-free experiments in hitherto inaccessible regimes that involve short wavelengths and/or high intensities. The adjustment of the gas pressure was used to balance the gas and waveguide contributions of the refractive index and thereby achieve phase-matched third-harmonic generation into a higher order fiber mode. Owing to the signal sensitivity to the precise phase relationship, this technique was used to corroborate a proposed analytical model for the dispersion of the kagomé fiber. By adjusting the pressure such that the resulting group velocity dispersion is anomalous at the pump, but normal for shorter wavelengths, light was generated through soliton-driven resonant radiation. Efficiencies of up to 8% and, by virtue of the dispersion tuning concept, wavelength tunability from 200 nm to 320 nm were demonstrated. By lowering the gas pressure to achieve broadband all-anomalous group velocity dispersion, soliton self-compression allowed for generating few-cycle pulses with peak intensities exceeding 1014 W/cm2 – sufficiently strong to ionize the gas. The generated time-varying free electron density imposed a phase modulation onto the pulse which led to a soliton self-frequency blue-shift, redolent of, but contrary in sign, to the Raman-induced red-shift. Photonische Kristallfasern mit Hohlkern ermöglichen beständige und manipulierbare nichtlineare Wechselwirkungen von Licht und Gasen über ausgedehnte Distanzen. Diese Arbeit beinhaltet experimentelle und numerische Untersuchungen der Propagation von nahinfraroten Femtosekundenpulsen in mit Argon gefüllten kagomé photonischen Kristallfasern. Dieses Fasersystem ermöglicht eine durch Druck einstellbare Gruppengeschwindigkeitsdispersion. Von grundlegenderer Bedeutung sind die geringe Wechselwirkung des Lichts mit der Faserstruktur und die Inertheit des Gases, die zerstörungsfreie Experimente in bislang unzugänglichen Bereichen kurzer Wellenlängen und/oder hohen Intensitäten erlauben. Durch eine Druckanpassung ließen sich die Einflüsse des Gases und des Wellenleiters auf den Brechungsindex so ausbalancieren, dass eine phasenangepasste Erzeugung der dritten Harmonischen in einen Mode höherer Ordnung erzeugt werden konnte. Aufgrund der Signalempfindlichkeit gegenüber der Phasenbeziehung konnte mit dieser Methode ein vorgeschlagenes Modell der Dispersion in kagomé-Fasern bestätigt werden. UV-Strahlung durch von Solitonen angeregte Resonante Strahlung wurde erzeugt bei Drücken, die zu einem Gruppengeschwindigkeitsdispersionsprofil führten, das anomal bei der Pumpwellenllänge und gleichzeitig normal für kürzere Wellenlängen war. Effizienzen von bis zu 8% und eine, durch die Einstellbarkeit der Dispersion ermöglichte, Wellenllängenabstimmbarkeit von 200 nm bis 300 nm wurden demonstriert. Durch eine Senkung des Gasdrucks zur Bewerkstelligung von breitbandig anomaler Gruppengeschwindigkeitsdispersion ließen sich durch Solitonenkompression Pulse weniger Zyklen generieren. Die hierbei erreichte Spitzenintensität von mehr als 1014 W/cm2 war hoch genug, um das Gas zu ionisieren. Die erzeugte, zeitlich variierende Dichte freier Elektronen bewirkte eine Phasenmodulation, die zu einer Solitonenblauverschiebung führte, die ähnlich der Raman-Rotverschiebung ist, dieser aber spektral entgegenwirkt.

Ill., graph. Darst.