Halbleiterlaser stellen mit über 70% Wirkungsgrad einzigartig effiziente Lichtquellen dar. Dennoch ist ihre zuverlässige Nutzung, insbesondere im Bereich hoher Leistungsdichten, von thermischen Limitierungen geprägt. Einen grundlegenden Beitrag zu deren physikalischen Verständnis leistet die Analyse der thermischen Eigenschaften und Degradationsprozesse solcher Bauelemente. In dieser Arbeit wird hierzu die Thermographie als innovative Analysemethode untersucht. Das Plancksche Strahlungsgesetz erlaubt die radiometrische Ermittlung der Temperatur. Die wichtige physikalische Kenngröße Emissivität wird in dieser Arbeit für Halbleiter und Halbleiterlaserstrukturen spektral gemessen und auf fundamentale physikalische Eigenschaften zurückgeführt. Auf dieser Grundlage werden methodische Aspekte der Thermographie diskutiert, welche durch den thermischen Hintergrund und die teilweise Transparenz der Halbleitermaterialien geprägt sind. Die daraus folgenden analytischen Fähigkeiten erlauben unter anderem die orts- und zeitaufgelöste Bestimmung der thermischen Eigenschaften von komplexen Hochleistungslasern unterschiedlichster Bauart. Darüber hinaus ermöglicht die Kenntnis der beteiligten thermischen Zeitkonstanten die Extraktion von lokalen Überhöhungen in der Infrarotemission, deren Zusammenhang zur Degradation der Bauelemente untersucht wird. Eine grundsätzliche Begrenzung der Ausgangsleistung ist durch einen abrupten Degradationsprozess gegeben, welcher maßgeblich durch eine Reabsorption der Laserstrahlung an der Frontfacette verursacht wird. Mithilfe einer kombinierten Thermographie-Nahfeld-Messung wird dieser Prozess orts- und zeitaufgelöst analysiert. Die Erweiterung des Messfensters zu kürzeren Wellenlängen hin erlaubt die Detektion strahlender Übergänge unter Einbeziehung von Defektzentren welche als strahlende Signaturen von graduellen Degradationsprozessen aufzufassen sind. / Semiconductor lasers are unequaled efficient light sources, reaching efficiencies of more than 70%. Nevertheless, thermal limits govern their reliable application, in particular in the field of high power densities. The analysis of thermal properties and degradation processes in such devices contributes essentially to the understanding of these limits. This work exploits thermography as an innovative analytical technique for such purpose. Planck''s law allows for a radiometric detection of temperatures. In this work, the important physical parameter emissivity is measured spectrally resolved for both semiconductors and semiconductor laser structures and is related to fundamental physical properties. Based on that, methodological aspects are discussed, which are affected on the one hand by the omnipresent thermal radiation and on the other hand by the partial transparency of the semiconductor materials. The resulting analytical capacities allow, for instance, for the determination of the thermal properties of complex high-power lasers of a wide range of different designs in a spatio-temporally resolved fashion. Furthermore, does the knowledge of the involved thermal time constants allow for an extraction of localized peaks of the infrared emission that is analyzed for its relationship with device degradation. The output power of high-power devices is fundamentally limited by the catastrophic optical damage, an abrupt degradation process that is induced significantly by reabsorption of laser radiation at the front facet. This process is analyzed spatio-temporally resolved with help of a combined thermography and optical near-field technique. Extending the detection range down to shorter wavelengths allows for imaging of radiative transitions that are related to defect centers, which are interpreted as radiative signatures of gradual device degradation processes.

The interplay of thermodynamic properties of strongly interacting matter and its emission of photons is investigated. For this purpose the Lagrangian of the quark meson model (in the literature also dubbed "linear sigma model" or "linear sigma model with quarks") is extended by an electromagnetic sector. Based on this extended Lagrangian both the grand-canonical potential and the generating functional of correlation functions are calculated in a consistent manner. From the former, the phase structure and various thermodynamical properties are determined. Especially, the dependence of certain landmarks (critical point, intersections of the phase boundary with the coordinate axes, etc.) of the phase diagram with respect to the model parameters is investigated in detail. With the help of the generating functional in turn, the photon propagator can be computed whose imaginary part is connected to the emission rate of photons. The leading order of the result with respect to the number of participating particles and the power of the quark-meson coupling is expressed in terms of tree level diagrams, which are calculated likewise. On this basis, the photon emissivity with respect to temperature, chemical potential and photon frequency is calculated and analyzed addressing various questions. The dependence of the particle masses with respect to temperature and chemical potential leaves notable imprints on the emissivities of the individual production processes. Especially a first-order phase transition can easily be identified, since, there, the emissivity may jump - depending on the temperature - by a factor of about ten. Contrarily, within our analysis, we do not find signatures in the photon emissivities that specifically mark a critical end point. Moreover, it is investigated on which parameters the photon emission rate depends in the low- and high-frequency regions. With these results the behavior of the emissivity with respect to temperature and chemical potential can be understood and many peculiarities of the emissivities can be explained. / Das Zusammenspiel der thermodynamischen Eigenschaften von stark wechselwirkender Materie und deren Emission von Photonen wird untersucht. Dazu wird die Lagrangedichte des Quark-Meson-Modells (auch: Linear-Sigma-Modell oder Linear-Sigma-Modell mit Quarks) um einen elektromagnetischen Sektor erweitert. Aus der so erweiterten Lagrangedichte werden auf konsistente Weise sowohl das großkanonische Potential als auch das erzeugende Funktional der Korrelationsfunktionen ermittelt. Aus ersterem werden die Phasenstruktur des Modells sowie zahlreiche thermodynamische Eigenschaften berechnet. Insbesondere wird die Abhänigkeit einiger Orientierungspunkte (kritischer Punkt, Schnittpunkte der Phasengrenze mit den Koordinatenachsen usw.) des Phasendiagramms von den Modellparametern detailiert untersucht. Mit Hilfe des erzeugenden Funktionals wiederum kann der Photonenpropagator bestimmt werden, dessen Imaginärteil mit der Emissionsrate von Photonen zusammenhängt. Die führende Ordnung in einer Entwicklung nach der Anzahl der beteiligten Teilchen und der Potenz der Quark-Meson-Kopplung lässt sich durch Baumgraphen-Diagramme darstellen, die ebenfalls berechnet werden. Auf dieser Basis wird die Photon-Emissivität in Abhängigkeit von Temperatur, chemischem Potential und Photon-Frequenz berechnet und unter verschiedenen Gesichtspunkten analysiert. Die Abhängigkeit der Teilchenmassen von Temperatur und chemischem Potential hinterlässt teilweise ausgeprägte Signaturen in den Emissivitäten der einzelnen sub-Prozesse. Insbesondere ein Phasenübergang erster Ordnung zeigt sich deutlich, da an diesem die Emissivität - abhänging von der Temperatur - um einen Faktor der Größenordnung zehn springen kann. Jedoch finden wir im Rahmen dieser Analyse keine spezifischen Signaturen in den Photonen-Emissivitäten, die einen kritischen Punkt auszeichnen. Des weiteren wird untersucht von welchen Parametern die Photonen-Emissionsrate in den Bereichen niedriger oder hoher Photonen-Frequenzen abhängt. Mit diesen Ergebnissen kann das Verhalten der Emissivität in Abhängigkeit von Temperatur und chemischem Potential gut verstanden und zahlreiche Auffälligkeiten in den Emissivitäten erklärt werden.

The interplay of thermodynamic properties of strongly interacting matter and its emission of photons is investigated. For this purpose the Lagrangian of the quark meson model (in the literature also dubbed "linear sigma model" or "linear sigma model with quarks") is extended by an electromagnetic sector. Based on this extended Lagrangian both the grand-canonical potential and the generating functional of correlation functions are calculated in a consistent manner. From the former, the phase structure and various thermodynamical properties are determined. Especially, the dependence of certain landmarks (critical point, intersections of the phase boundary with the coordinate axes, etc.) of the phase diagram with respect to the model parameters is investigated in detail. With the help of the generating functional in turn, the photon propagator can be computed whose imaginary part is connected to the emission rate of photons. The leading order of the result with respect to the number of participating particles and the power of the quark-meson coupling is expressed in terms of tree level diagrams, which are calculated likewise. On this basis, the photon emissivity with respect to temperature, chemical potential and photon frequency is calculated and analyzed addressing various questions. The dependence of the particle masses with respect to temperature and chemical potential leaves notable imprints on the emissivities of the individual production processes. Especially a first-order phase transition can easily be identified, since, there, the emissivity may jump - depending on the temperature - by a factor of about ten. Contrarily, within our analysis, we do not find signatures in the photon emissivities that specifically mark a critical end point. Moreover, it is investigated on which parameters the photon emission rate depends in the low- and high-frequency regions. With these results the behavior of the emissivity with respect to temperature and chemical potential can be understood and many peculiarities of the emissivities can be explained. / Das Zusammenspiel der thermodynamischen Eigenschaften von stark wechselwirkender Materie und deren Emission von Photonen wird untersucht. Dazu wird die Lagrangedichte des Quark-Meson-Modells (auch: Linear-Sigma-Modell oder Linear-Sigma-Modell mit Quarks) um einen elektromagnetischen Sektor erweitert. Aus der so erweiterten Lagrangedichte werden auf konsistente Weise sowohl das großkanonische Potential als auch das erzeugende Funktional der Korrelationsfunktionen ermittelt. Aus ersterem werden die Phasenstruktur des Modells sowie zahlreiche thermodynamische Eigenschaften berechnet. Insbesondere wird die Abhänigkeit einiger Orientierungspunkte (kritischer Punkt, Schnittpunkte der Phasengrenze mit den Koordinatenachsen usw.) des Phasendiagramms von den Modellparametern detailiert untersucht. Mit Hilfe des erzeugenden Funktionals wiederum kann der Photonenpropagator bestimmt werden, dessen Imaginärteil mit der Emissionsrate von Photonen zusammenhängt. Die führende Ordnung in einer Entwicklung nach der Anzahl der beteiligten Teilchen und der Potenz der Quark-Meson-Kopplung lässt sich durch Baumgraphen-Diagramme darstellen, die ebenfalls berechnet werden. Auf dieser Basis wird die Photon-Emissivität in Abhängigkeit von Temperatur, chemischem Potential und Photon-Frequenz berechnet und unter verschiedenen Gesichtspunkten analysiert. Die Abhängigkeit der Teilchenmassen von Temperatur und chemischem Potential hinterlässt teilweise ausgeprägte Signaturen in den Emissivitäten der einzelnen sub-Prozesse. Insbesondere ein Phasenübergang erster Ordnung zeigt sich deutlich, da an diesem die Emissivität - abhänging von der Temperatur - um einen Faktor der Größenordnung zehn springen kann. Jedoch finden wir im Rahmen dieser Analyse keine spezifischen Signaturen in den Photonen-Emissivitäten, die einen kritischen Punkt auszeichnen. Des weiteren wird untersucht von welchen Parametern die Photonen-Emissionsrate in den Bereichen niedriger oder hoher Photonen-Frequenzen abhängt. Mit diesen Ergebnissen kann das Verhalten der Emissivität in Abhängigkeit von Temperatur und chemischem Potential gut verstanden und zahlreiche Auffälligkeiten in den Emissivitäten erklärt werden.