Elektrische Manipulation der Lichtemission von einzelnen CdSe/CdS Nanostäbchen

Kolloidale Halbleiternanokristalle sind aufgrund ihrer vom Ultravioletten bis weit ins Infrarote durchstimmbaren Emissionswellenlänge besonders interessante Nanostrukturen für zukünftige optoelektronische Bauelemente und werden daher zurzeit intensiv erforscht. Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht die Untersuchung und Manipulation der Lichtemission von neuartigen, stäbchenförmigen Cadmiumselenid/Cadmiumsulfid (CdSe/CdS) Nanokristallen in einem Einzelpartikelfluoreszenzaufbau. Diese Nanokristalle bestehen aus einem sphärischen CdSe-Kern, an den ein CdS-Nanostäbchen monokristallin gewachsen wird. Dadurch entstehen räumlich asymmetrische Halbleiternanostäbchen mit einem Aspektverhältnis zwischen 1,6 und 4,0. Durch die Messung der strahlenden Rate konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass das Elektron über das gesamte Nanostäbchen delokalisiert ist, wohingegen das Loch im CdSe-Kern lokalisiert ist. Daher kann man durch die Länge des Cadmiumsulfidstäbchens den Wellenfunktionsüberlapp direkt manipulieren. Die Wellenfunktionen und damit die Emissionsenergien können neben der Geometrie insbesondere auch durch externe elektrische Felder kontrolliert werden. Da die Größe dieses so genannten „Starkeffekts in quantenbeschränkten Strukturen“ mit der räumlichen Ausdehnung der Nanostruktur zunimmt, konnte in den Nanostäbchen ein, verglichen zu sphärischen Nanokristallen, deutlich erhöhter Feldeffekt beobachtet werden. Experimente an einzelnen CdSe/CdS Nanostäbchen zeigen aber nicht nur eine Verschiebung der Emissionsenergie um das 50-fache der Linienbreite, sondern zugleich eine feldinduzierte Abnahme der Emissionsintensität um eine Größenordnung. Die experimentellen Ergebnisse lassen sich hervorragend mit einem theoretischen Modell vergleichen. Dazu wurde das effektive Massenmodell um die Coulombwechselwirkung ergänzt und durch eine finite Elemente Methode für asymmetrische Geometrien erweitert. Damit ist es möglich, sowohl die strahlende Rate, die Starkverschiebung der Emissionsenergie wie auch die Intensitätsmodulation durch elektrische Felder qualitativ und quantitativ vorherzusagen und den Starkeffekt in kolloidalen Nanokristallen durch ein quantenmechanisches Modell zu beschreiben. Die Emissionscharakteristik wird nicht nur durch externe Felder, sondern auch durch Fluktuationen lokaler Felder beeinflusst, welche durch diffundierende Oberflächenladungen entstehen. Diese lokalen Feldveränderungen induzieren ebenfalls eine Starkverschiebung und führen zu einer zeitlichen Variation der Emissionsenergie. Durch die elongierte Form der Nanostäbchen ist es erstmals gelungen, bei kolloidalen Nanokristallen die Bewegung von Oberflächenladungen auf der Nanometerskala zu beobachten. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass man dabei zwischen einer zufälligen Bewegung der Oberflächenladungen um den Ladungsschwerpunkt und der Verschiebung des Ladungsträgerschwerpunkts unterscheiden kann

Simulative Optimierung der Bahnplanung mit mehrfacher Redundanz bei der roboterassistierten Laserosteotomie

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Weiterentwicklung einer Simulationsumgebung zur roboterassistierten Laserosteotomie um eine Bahnplanung, die die mehrfache kinematische Redundanz eines Roboter-Laser-Systems berücksichtigt. Die Redundanz entsteht durch das Zusammenspiel des an sich bereits redundanten Leichtbauroboters mit den zusätzlichen Freiheitsgraden des Laser-Scanner-Systems. Es werden unterschiedliche Ansätze zur Auflösung vorgestellt, implementiert und anschließend bewertet

Zeitabhängige optimale Steuerung der Wärmeleitungsgleichung mit Zustandsbeschränkungen : mit Anwendung im Laserstrahlschmelzen

In dieser Arbeit werden zustandsbeschränkte Optimalsteuerungsprobleme der Wärmeleitungsgleichung betrachtet. Die untersuchten Probleme weisen dabei eine spezielle Struktur auf: Die Steuerung in der rechten Seite der Wärmeleitungsgleichung und die Zustandsbeschränkung sind rein zeitabhängig. Diese besondere Struktur kann vielfach genutzt werden. Im Theorieteil dieser Arbeit werden Regularitätsaussagen für die Lösungen der Optimalsteuerungsprobleme hergeleitet. Unter Verwendung der Technik des alternativen Optimalitätssystems kann die Stetigkeit der optimalen Steuerung für Probleme, in denen die zeitabhängige Zustandsbeschränkung aus einem ortsintegralen Term besteht, bewiesen werden, wenn die im Modell vorgegebenen Daten hinreichend regulär gewählt sind. Mit weiteren Annahmen an die Daten erhält man die absolute Stetigkeit der optimalen Steuerung auf Teilintervallen und eine höhere Regularität des Lagrange-Multiplikators zur Zustandsbeschränkung. In weiteren Untersuchungen wird die Technik des alternativen Optimalitätssystems angepasst und weiterentwickelt. So kann die Stetigkeit der optimalen Steuerung auch für Probleme nachgewiesen werden, bei denen die Daten in der Zustandsbeschränkung im Ort irregulär gewählt sind. Es können sogar allgemeinere Probleme mit rein zeitabhängigen Zustandsbeschränkungen in Operatorform betrachtet werden. Als Beispiel kann die Stetigkeit der optimalen Steuerung bei Problemen mit punktweiser Beschränkung des Zustands an einem fest vorgegebenen Ortspunkt gezeigt werden. Dies erlaubt es, eine interessante Schlussfolgerung für Optimalsteuerungsprobleme mit rein zeitabhängiger Steuerung und punktweiser Zustandsbeschränkung in Ort und Zeit zu ziehen. Im Algorithmen- und Numerikteil dieser Arbeit wird ein neuer Optimierungsalgorithmus für die betrachteten Optimalsteuerungsprobleme entwickelt. Dieser Algorithmus stellt eine Erweiterung der primal-dualen aktive-Mengen-Strategie für diskretisierte zustandsbeschränkte Optimalsteuerungsprobleme nach Bergounioux und Kunisch dar. Zusätzlich fließen Ideen von Mehrfachschießverfahren, die bei der optimalen Steuerung gewöhnlicher Differentialgleichungen genutzt werden, ein. Die Leistungsfähigkeit des Algorithmus wird anhand mehrerer Modellprobleme getestet. Für reguläre Probleme zeigt sich eine Gitterunabhängigkeit des Verfahrens. Bei anspruchsvolleren Problemen mit noch stetiger optimaler Steuerung erhält man bei feinerer Diskretisierung eine moderate Erhöhung der Anzahl an Iterationen des Verfahrens. Insgesamt schlägt sich der Algorithmus typischerweise besser als die primal-duale aktive-Mengen-Strategie oder die aktive-Mengen-Strategie in Matlab. Allerdings sollte an dieser Stelle beachtet werden, dass das im Rahmen der Arbeit neu entwickelte Verfahren und die primal-duale aktive- Mengen-Strategie bei Modellproblemen mit Zustandsbeschränkungen der Ordnung größer eins Konvergenzprobleme haben. Hinsichtlich der Resultate aus dem Theoriekapitel dieser Arbeit kann mithilfe der numerischen Ergebnisse gezeigt werden, dass die dort getroffenen Aussagen scharf zu sein scheinen, wenn das Gesamtintervall betrachtet wird. Andererseits sollten aber bei Problemen mit regulären Daten bessere Regularitätsaussagen auf Teilintervallen möglich sein. Der letzte Teil der Arbeit widmet sich der optimalen Steuerung der Leistung des Lasers beim Laserstrahlschmelzen. Ein neu entwickeltes Modell beschreibt die Temperaturverteilung im Werkstück in Situationen, in denen der Laser einen Mäander am Rand eines Islands abfährt. Basierend auf diesem Modell können linear-quadratische Optimierungsprobleme zur Berechnung optimaler Steuerungsstrategien formuliert werden. Wegen zusätzlicher Beschränkungen kann der in dieser Arbeit neu entwickelte Algorithmus nicht zum Lösen der Probleme eingesetzt werden. Er wird deshalb ersetzt durch die quadprog Routine in Matlab. Die berechneten Strategien zur Anpassung der Leistung des Lasers werden auf den Maschinen zum 3D-Druck metallischer Bauteile getestet. Es stellt sich heraus, dass die Strategie, die die Leistung des Lasers nicht nur bei der Querfahrt im Mäander am Rande eines Islands, sondern auch auf einer kurzen Strecke zurück ins Innere des Bauteils absenkt, eine signifikante Verbesserung des Schmelzbildes mit sich bringt. Folglich kann auch eine bessere Oberflächenstruktur des Werkstücks erreicht werden

Strukturelle Ansätze für die Stereorekonstruktion

Die Dissertation beschäftigt sich mit Labeling Problemen. Dieses Forschungsgebiet bildet einen wichtigen Teil der strukturellen Mustererkennung, in der die Struktur des zu erkennenden Objektes explizit berücksichtigt wird. Die entwickelte Theorie wird auf die Aufgabe der Stereorekonstruktion angewendet.The thesis studies the class of labeling problems. This theory contributes to the new stream in pattern recognition in which structure is explicitly taken into account. The developed theory is applied to practical problem of stereo reconstruction

Modellrisiko bei der Bewertung von Optionen in einem Vergleich von Modellen mit stochastischer Volatilität

Die Entwicklung und empirische Überprüfung von Modellen zur Bewertung von Derivaten ist ein zentraler Gegenstand der Kapitalmarktforschung. Einen Durchbruch erzielten 1973 Black, Scholes und Merton. In den anschließenden empirischen Untersuchungen des �Black�Scholes Modells�, zeigt sich jedoch, dass die am Markt beobachteten �stilisierten Fakten� nicht gut genug erfasst werden können. Um den Marktgegebenheiten gerecht zu werden, entsteht die Notwendigkeit, die sehr restriktiven Prämissen des Black�Scholes Modells aufzuweichen. Der Hauptansatzpunkt für Veränderungen liegt darin, eine nicht�konstante Volatilität und Unstetigkeitsstellen im Kursverlauf des Basiswertes zu modellieren. Aus Kombinationen beider Ansätze entstehen zahlreiche alternative Modelle, aus denen für eine konkrete Bewertung ein Modell ausgewählt werden muss. Entscheidet man sich für das �falsche� Modell, geht man das Risiko ein, einen Verlust zu erleiden, der sich ausschließlich durch die Modellwahl erklärt. Dieses Modellrisiko steckt in jedem Modell und sollte dem Anwender bei der Modellwahl bewußt sein. Bei börsengehandelten Standardoptionen, den �Plain�Vanillas�, bestimmt der Markt den Preis, so dass hier das Modellrisiko weniger stark ins Gewicht fällt. Daher werden anhand der Marktpreise Plain�Vanilla Optionen auf den DAX von 2002 bis 2005 die Modelle kalibriert, d.h. durch die Minimierung des Abstandes von Markt� zu Modellpreis werden die Modellparameter geschätzt, und die �In�Sample� Anpassungsgüten untersucht. Der Modellvergleich beinhaltet zusätzlich die �Out�of�Sample� Anpassung sowie die Hedging�Performance der Modelle. In den Modellvergleich werden drei neue Erweiterungen des Modells von Schöbel und Zhu aufgenommen, die in der Literatur noch nicht empirisch untersucht wurden, aber aufgrund ihrer guten Anpassungseigenschaften in diesem Rahmen nicht fehlen sollten. Besonders zum Tragen kommt das Modellrisiko bei der Bewertung von exotischen �Over�the�Counter� Optionen, die nicht am Markt gehandelt werden. Daher werden mit den kalibrierten Parametern Preise exotischer Optionen bestimmt, die trotz Kalibrierung der zugrunde liegenden Parameter an einen Datensatz von Plain�Vanilla Optionen voneinander abweichen. Aufbauend auf dem Ansatz von Cont, wird das Modellrisiko in Sensitivitätsanalysen dieser exotischen Optionen verglichen

Modellbasierte Regleroptimierung für erweiterte PID-Regler zur Drehzahlregelung von hochdynamischen PMSM im Prüfstandsbetrieb = Model-based controller optimization for advanced PID controllers for rotational speed control of highly dynamic PMSM in test bench operation

Validierungskonfigurationen sind ein zentraler Bestandteil der Produktentwicklung. Um äußere Belastungen auf die zu untersuchenden Systeme innerhalb einer Validierungskonfiguration aufzubringen, werden sogenannte Aktoren genutzt. In der Antriebsstrangentwicklung werden häufig Permanentmagnet-Synchronmotoren als Aktoren, die eine Drehzahl auf die angebundenen Komponenten aufprägen sollen, eingesetzt. Ein zentraler Aspekt dieser Funktion ist ein Regelkreis, der aus einem geforderten und einem aktuellen Wert eine Ausgangsgröße berechnet und diese an entsprechende Stellglieder weitleitet. Im Kontext der Permanentmagnet-Synchronmotoren handelt es sich bei der Ausgangsgröße meistens um ein Drehmoment. Der Regelkreis ist in den meisten Fällen durch einen Proportional-Integral-Differenzial-Regler geschlossen, welcher aus drei Termen besteht. Jeder dieser Terme besitzt einen Verstärkungsfaktor, der den Einfluss des Terms auf das Gesamtverhalten definiert. Die Einstellung dieser Verstärkungsfaktoren beziehungsweise Parameter ist ein zentrales Stellglied für die Dynamik von Validierungskonfigurationen. Die Anpassung der Parameter ist für ungeübte Anwender jedoch nicht trivial und basiert häufig auf Erfahrungswissen. Daher wird die Einstellung der Regler-Parameter oft vernachlässigt oder überhaupt nicht durchgeführt. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Methode entwickelt, die es ungeübten Anwendern ermöglicht, Regler-Parameter ohne vertieftes Wissen in der Regelungstechnik auf Basis von Validierungszielen einzustellen. Eine Analyse der verschiedenen verfügbaren Verfahren zur Einstellung von Regler-Parametern zeigt, dass Methoden aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz, im Speziellen die Partikelschwarmoptimierung, ein hohes Potential besitzen diese Aufgabe zu erfüllen. Grundlage für den Algorithmus ist eine Kostenfunktion, die das komplexe mehrdimensionale Optimierungsproblem in ein Pareto-optimales überführt und durch den Anwender an die jeweilige Validierungskonfiguration angepasst werden kann. Im Vergleich zu bisherigen Methoden wird besonders auf eine Übertragbarkeit der Kostenfunktion geachtet. Dies ermöglicht eine Wiederverwendung über unterschiedliche Validierungskonfigurationen hinweg. Unterstützt wird der Anwender bei der Parametrierung der Kostenfunktion durch einen Leitfaden. Ein iterativer Aufbau der Methode ermöglicht dem Anwender eine intuitive Bedienung. Abgeschlossen wird die Arbeit mit drei Anwendungsbeispielen, mit denen an unterschiedlichen Validierungskonfigurationen die Verbesserung der Regelgüte durch die optimierten Regler aufgezeigt wird. Es werden Prüfstände mit unterschiedlicher Größenordnung beziehungsweise Leistungsklasse herangezogen, um eine Übertragbarkeit der Methode zu gewährleisten

Konzepte zur Trennung von Sprachsignalen in unterbestimmten Szenarien

Bei der Aufnahme von Sprachsignalen mit zentral positionierten Mikrofonen sind im Sensorsignal zumeist Anteile verschiedener akustischer Quellen enthalten. Zur weiteren Verarbeitung der Signale muss das Sensorsignal in die verschiedenen Quellsignale zerlegt werden. Die Arbeit befasst sich mit unterschiedlichen Konzepten zur Trennung der Sprachsignalen. Durch die Verwendung mehrerer Mikrofone können positionsspezifische Merkmale für die Sprecher ermittelt und zur Separation genutzt werden

Konzepte zur Trennung von Sprachsignalen in unterbestimmten Szenarien

Bei der Aufnahme von Sprachsignalen mit zentral positionierten Mikrofonen sind im Sensorsignal zumeist Anteile verschiedener akustischer Quellen enthalten. Zur weiteren Verarbeitung der Signale muss das Sensorsignal in die verschiedenen Quellsignale zerlegt werden. Die Arbeit befasst sich mit unterschiedlichen Konzepten zur Trennung der Sprachsignalen. Durch die Verwendung mehrerer Mikrofone können positionsspezifische Merkmale für die Sprecher ermittelt und zur Separation genutzt werden