title: Polymer based photonic materials for cold neutron optics
Creators: name: Hadden, Elhoucine
Publisher: name: :none
Year: 2024

description: In dieser Arbeit werden Licht- und Neutronenbeugung in holographischen Gittern durch Modellentwicklung, Materialoptimierung und maßgeschneiderte experimentelle Methoden untersucht. Der Schwerpunkt liegt auf der Optimierung der Streulängendichtemodulation und struktureller Stabilität der Gitter, sowie auf Entwicklung der notwendigen Werkzeuge zur Analyse der komplexen und variablen Eigenschaften von Neutronenbeugungsdaten. Näherungen zur sogenannten Rigorous Coupled-Wave Analysis Theorie wurden entwickelt, um eine präzise und recheneffiziente Analyse zu ermöglichen. Die Materialstudien umfassen Bayfol HX200-Photopolymer, nanodiamant-basierte Komposite und nanokomposite Materialien mit hochverzweigten Polymeren, die jeweils auf ihre Eignung für Licht- und Neutronenbeugung untersucht wurden. Insbesondere wurde die Herstellung von Gittern in kommerziellen Bayfol-Folien für die Neutronenbeugung optimiert, wobei bestimmte Schreibintensitäten und -dosen deren Effizienz steigerten. Die Beugungsmuster von Licht und Neutronen entsprachen den Vorhersagen des Modells der nicht-lokalen, photopolymerisationsgetriebenen Diffusion und lieferten Einblicke in die zugrunde liegenden Prozesse, die die optische Leistung beeinflussen. Nanodiamant-basierte Gitter erzielten beispiellose Streulängendichten Modulationsamplituden mit hoher Beugungseffizienz, minimalen Intensitätsverlusten an die Winkel- und Wellenlängenselektivität sowie einer Robustheit, die ihre Anwendung in der fortschrittlichen Neutronenoptik erlaubt, einschließlich eines geplanten sehr kalten Neutroneninterferometers in naher Zukunft. Auch Gitter basierende auf hochverzweigten Polymeren zeigten hohe Modulationsamplituden, wodurch sie als vielversprechende Kandidaten gelten. Die experimentellen Aufbauten wurden zur Reduzierung von Störsignalen verbessert, und ein rigoroses Protokoll zur Datenreduktion und Hintergrundbehandlung wurde entwickelt, um die Beugungseffizienz in verschiedenen Aufbauten genau zu bestimmen. Zudem wurden Bayessche Inferenzmethoden, einschließlich Markov-Chain-Monte-Carlo sampling und Bayesianische Modellwahl, als ergänzende Werkzeuge für die probabilistische Modellvalidierung bei umfangreichen Parameterbereichen oder Inhomogenitäten eingeführt. Durch theoretische, materielle und experimentelle Fortschritte etabliert diese Dissertation ein Fundament für künftige interdisziplinäre Forschungen in der Neutronenoptik und Holographie und trägt zur Weiterentwicklung von beugungsbasierten Anwendungen in der Materialwissenschaft und der fundamentalen Physik bei.
description: This research advances the study of light and neutron diffraction in holographic gratings through model development, material optimization, and tailored experimental methodologies. The focus is on achieving high scattering length density (SLD) modulation and structural stability, and on providing the necessary tools for analyzing the intricate and variable nature of neutron diffraction data. Simplified first-order adaptations of the Rigorous Coupled-Wave Analysis (RCWA) theory were developed to enable accurate and computationally efficient analysis. Material studies cover Bayfol HX200 photopolymers, nanodiamond-based nanoparticle composites (NDPC), and hyperbranched polymer (HBP) dispersed nanocomposites, each evaluated for suitability in light and neutron diffraction. Commercial Bayfol foils, in particular, were optimized for neutron diffraction, with certain writing intensities and dosages enhancing their efficiency. Both light and neutron diffraction patterns aligned with the predictions of the non-local photopolymerization-driven diffusion (NPDD) model, offering insight into the underlying processes influencing optical performance. NDPC gratings achieved record-breaking SLD modulation amplitudes with high diffraction efficiency, minimal angular and wavelength selectivity losses, and robustness that supports their application in advanced neutron optics, including a planned very cold neutron (VCN) interferometer for 2025. HBP gratings similarly exhibited high modulation amplitudes, positioning them as promising candidates. Experimental setups were refined for noise reduction, and a rigorous data reduction and background treatment protocol was developed to accurately derive diffraction efficiency across varied setups. Bayesian inference methods, including Markov Chain Monte Carlo sampling and Bayesian Model Selection, were also introduced as supplementary tools for probabilistic model validation in cases with extensive parameter ranges or nonuniformities. Through theoretical, material, and experimental advancements, this thesis establishes a framework for future interdisciplinary research in neutron optics and holography, contributing to the ongoing development of diffraction-based applications in materials science and fundamental physics.