Die vorliegende Studie untersucht die nächtliche Habitatnutzung von Feldhasen in drei unterschiedlichen Habitaten. Das Untersuchungsgebiet Opferbaum ist stark ackerbaulich geprägt und das Untersuchungsgebiet Güntersleben sehr strukturreich durch das Vorkommen von Gehölzen und Waldrändern. Das Untersuchungsgebiet Fritzlar besitzt einen waldrandgeprägten sowie einen ackerbaulich intensiv genutzten Landschaftsteil. Die nächtlichen Aufenthaltsorte von Feldhasen wurden mittels Wärmebildkamera zwischen September 2004 bis April 2005 und September 2005 bis April 2006 kartiert. In jedem der Untersuchungsgebiete wurden einmal monatlich sogenannte Festpunkte angefahren, die umliegenden Landschaftsbereiche abgesucht und beobachtete Feldhasen in Arbeitskarten eingezeichnet. Eine Kartierung der von den Festpunkten einsehbaren Landschaftsteile geschah vor jedem Erfassungstermin bei Tageslicht. Den kartierten Feldhasen (Präsenz-Punkte) wurde im GIS eine zufällige Punktverteilung im beobachteten Landschaftsraum gegenüber gestellt (Pseudo-Absenz-Punkte). Für jeden dieser Punkte wurden bis zu 20 Minimaldistanzen zu verschiedenen Strukturelementen der Landschaft berechnet. In Generalisierten Linearen Modellen (GLM) wurden die univariaten und multivariaten Zusammenhänge der erklärenden Variablen mit der binomialen Zielvariablen modelliert. Zeitliche Aspekte der Habitatnutzung im Verlauf des Winterhalbjahres wurden mit einer multitemporalen Modellierung für zusammengefasste Zwei-Monats-Zeiträume untersucht. Die Modellselektion geschah mit Hilfe des Akaike Information Criterion (AIC). Insgesamt wurden 4.494 Standorte von Feldhasen in Opferbaum, 2.418 in Güntersleben und 1.391 in Fritzlar kartiert. Die univariate Analyse zeigt eine Meidung von Verkehrs- und Siedlungsstrukturen. Waldränder, Gehölze, Buntbrachen und Grünland werden in den Untersuchungsgebieten Fritzlar und Opferbaum bevorzugt, in Güntersleben werden die zwei letzteren gemieden. Die multivariaten Modelle zeigen eine Präferenz der Nahrungshabitate Wintergetreide und Raps, in Fritzlar und Opferbaum wird auch Grünland bevorzugt. Nach dem Nahrungshabitat wird von Feldhasen die Nähe zu potentiellen Deckungshabitaten präferiert, dabei werden nur Buntbrachen in allen Untersuchungsgebieten bevorzugt. Besonders Verkehrswege und Siedlungen werden gemiedenen, Ausnahme ist die Bevorzugung von Siedlungsbereichen in Güntersleben. Teilweise gegensätzliche Ergebnisse zeigt die Modellierung der Zwei-Monats-Zeiträume zwischen den Untersuchungsgebieten. Sie zeigen aber nur geringe Veränderungen der Habitatnutzung von Feldhasen im Verlauf des Winterhalbjahres. Allen selektierten Modellen gemein ist die geringe Erklärungsgüte von weniger als 5 % der Datenvarianz. Die Eignung der entwickelten Aufnahmemethodik und die Ergebnisse werden anhand der umfangreichen Literatur diskutiert. Die Art des Habitats ist von großer Bedeutung für die Habitatnutzung der Feldhasen. Durch die landwirtschaftliche Fruchtfolge bedingte strukturelle Veränderungen verändern ebenso die kleinräumige Habitatnutzung wie die Veränderungen der landwirtschaftlichen Schläge im Verlauf des Herbstes und Winters. Das opportunistische Habitatverhalten von Feldhasen erschwert dabei die Beobachtung von speziellem Habitatverhalten. Die zum Teil gegensätzlichen Ergebnisse werden auch vor dem Hintergrund potentieller Fehlerquellen der Methodik und einem möglichen Einfluss vernachlässigter Variablen diskutiert. Dabei stellt sich die Frage nach grundsätzlichen Konsequenzen für zukünftige Untersuchungen. Die unterschiedliche Habitatnutzung des Feldhasen in unterschiedlichen Habitaten muss sowohl bei der Wahl der Methodik als auch bei der Wahl der Gebietskulisse berücksichtigt werden.:Inhalt 1 Einleitung 1 1.1 Motivation 1 1.2 Methodenüberblick 2 1.3 Stand des Wissens 4 1.4 Ziele 13 2 Material und Methoden 14 2.1 Untersuchungsgebiete 14 2.1.1 Fritzlar 14 2.1.2 Güntersleben 18 2.1.3 Opferbaum 21 2.2 Feldökologische Methoden 24 2.2.1 Methodenentwicklung 24 2.2.2 Feldhasenerfassung 27 2.2.3 GIS-Anwendung 31 2.2.4 Flächennutzungs- & Habitatkartierung 32 2.3 Statistik 34 2.3.1 Bestimmung der Variablen 34 2.3.2 Modellbildung 39 2.3.2.1 Präsenz- und Pseudo-Absenz-Verteilung 39 2.3.2.2 Logistische Regression 40 2.3.2.3 Modellselektion 42 3 Ergebnisse 48 3.1 Anzahl und Dichte beobachteter Feldhasen 48 3.2 Struktur der untersuchten Landschaften 49 3.3 Generalisierte Lineare Modelle zur nächtlichen Habitatnutzung von Feldhasen 53 3.3.1 Univariate Analyse der potentiellen erklärenden Variablen 53 3.3.2 Multivariate Analyse der potentiellen erklärenden Variablen 55 3.3.2.1 Multivariate Modelle für das Untersuchungsgebiet Fritzlar 55 3.3.2.2 Multivariate Modelle für das Untersuchungsgebiet Güntersleben 57 3.3.2.3 Multivariate Modelle für das Untersuchungsgebiet Opferbaum 59 3.3.2.4 Multitemporale Modelle der Zwei-Monats-Zeiträume 62 3.3.2.5 Multivariate Modelle für alle Untersuchungsgebiete 68 4 Diskussion 72 4.1 Methodenkritik 72 4.1.1 Einfluss der maximalen Erfassungsdistanz 72 4.1.2 Eignung der entwickelten Methodik 73 4.2 Habitatnutzung von Feldhasen 75 4.2.1 Nutzung einzelner Strukturelemente 75 4.2.2 Habitatnutzung im Untersuchungsgebiet Fritzlar 85 4.2.3 Habitatnutzung im Untersuchungsgebiet Güntersleben 87 4.2.4 Habitatnutzung im Untersuchungsgebiet Opferbaum 93 4.2.5 Habitatnutzung im zeitlichen Verlauf 96 4.2.6 Multivariates Gesamtmodell 98 4.3 Betrachtung unberücksichtigter Variablen 99 4.4 Schlussbetrachtung und Ausblick 102 5 Zusammenfassung 105 6 Literatur 109 7 Anhang 121 / The study presented in this thesis examined the nocturnal habitat use by hares in three different habitats. The study area Opferbaum is strongly influenced by agriculture whereas the landscape of the study area Güntersleben has very diverse structures such as groves and forest edges. The study area Fritzlar has a forest dominated landscape on the one hand and a landscape of intensive agricultural activities on the other hand. Hare locations were mapped using thermography between September 2004 to April 2005 and September 2005 to April 2006. In each of the study sites the surrounding landscape of selected viewpoints was observed once a month and hare distribution was plotted in topographical maps. Mapping of the visible landscape of the viewpoints took place during daytime. Up to 20 minimum distances to different structural elements of the landscape were calculated for each hare location (presence-points) and randomly distributed points (pseudo-absence points) in the observed landscape. Generalized linear models (GLM) were applied to model the univariate and multivariate relationships of explanatory variables with the binomial response variables (hare 1; pseudo-absence 0). Temporal aspects of habitat use during the winter were analyzed by multi-temporal modeling for combined two-month periods. The model selection was done using the Akaike Information Criterion (AIC). A total of 4,494 locations by hares were mapped in Opferbaum, 2,418 in Güntersleben and 1,391 in Fritzlar. The univariate analysis shows an avoidance of traffic and urban areas. Forest edges and groves are preferred in all study areas. Pasture and wildlife-friendly set-asides are preferred in Fritzlar and Opferbaum, but avoided in Güntersleben. The multivariate models show a preference of feeding habitats such as winter cereals and oilseed rape, hares also prefer pasture in Fritzlar and Opferbaum. After the feeding habitat, hares show a preference to be in proximity to shelter providing habitats. Wildlife-friendly set-asides were preferred in all study sites. Traffic and urban areas are avoided in Opferbaum and Fritzlar but urban areas preferred in Güntersleben. Modeling the two-month periods shows different results between the study areas but only small changes in habitat use by brown hares during the winter months. All selected models explain less than 5 % of the variance of data. The consideration of comparable studies shows that besides methodology and surveying time, the results of habitat use of brown hares are primarily influenced by the kind of the examined landscapes. The small-scale habitat use of brown hare is also influenced by structural changes in the agricultural crop rotation as well as a changing vegetation in autumn and winter. The opportunistic behaviour of brown hares make the observation of special habitat use difficult. The results are discussed in connection with error in methodology and unconsidered variables but also to fundamental consequences for future investigations. The differences in habitat use of brown hares in different habitats have to be considered in both, the choice of methodology and when choosing the study sites.:Inhalt 1 Einleitung 1 1.1 Motivation 1 1.2 Methodenüberblick 2 1.3 Stand des Wissens 4 1.4 Ziele 13 2 Material und Methoden 14 2.1 Untersuchungsgebiete 14 2.1.1 Fritzlar 14 2.1.2 Güntersleben 18 2.1.3 Opferbaum 21 2.2 Feldökologische Methoden 24 2.2.1 Methodenentwicklung 24 2.2.2 Feldhasenerfassung 27 2.2.3 GIS-Anwendung 31 2.2.4 Flächennutzungs- & Habitatkartierung 32 2.3 Statistik 34 2.3.1 Bestimmung der Variablen 34 2.3.2 Modellbildung 39 2.3.2.1 Präsenz- und Pseudo-Absenz-Verteilung 39 2.3.2.2 Logistische Regression 40 2.3.2.3 Modellselektion 42 3 Ergebnisse 48 3.1 Anzahl und Dichte beobachteter Feldhasen 48 3.2 Struktur der untersuchten Landschaften 49 3.3 Generalisierte Lineare Modelle zur nächtlichen Habitatnutzung von Feldhasen 53 3.3.1 Univariate Analyse der potentiellen erklärenden Variablen 53 3.3.2 Multivariate Analyse der potentiellen erklärenden Variablen 55 3.3.2.1 Multivariate Modelle für das Untersuchungsgebiet Fritzlar 55 3.3.2.2 Multivariate Modelle für das Untersuchungsgebiet Güntersleben 57 3.3.2.3 Multivariate Modelle für das Untersuchungsgebiet Opferbaum 59 3.3.2.4 Multitemporale Modelle der Zwei-Monats-Zeiträume 62 3.3.2.5 Multivariate Modelle für alle Untersuchungsgebiete 68 4 Diskussion 72 4.1 Methodenkritik 72 4.1.1 Einfluss der maximalen Erfassungsdistanz 72 4.1.2 Eignung der entwickelten Methodik 73 4.2 Habitatnutzung von Feldhasen 75 4.2.1 Nutzung einzelner Strukturelemente 75 4.2.2 Habitatnutzung im Untersuchungsgebiet Fritzlar 85 4.2.3 Habitatnutzung im Untersuchungsgebiet Güntersleben 87 4.2.4 Habitatnutzung im Untersuchungsgebiet Opferbaum 93 4.2.5 Habitatnutzung im zeitlichen Verlauf 96 4.2.6 Multivariates Gesamtmodell 98 4.3 Betrachtung unberücksichtigter Variablen 99 4.4 Schlussbetrachtung und Ausblick 102 5 Zusammenfassung 105 6 Literatur 109 7 Anhang 121

Organic solar cells have the potential to become a low-cost photovoltaic technology. One approach to further increase the device efficiency aimsvto cover the near-infrared region of the sunvspectrum. However, suitable absorber materials are rare. This thesis focuses on the material class of aza-bodipy and dibenzo-aza-bodipy as near-infrared absorber materials for organic solar cells. Besides the synthesis of novel thiophene-substituted aza-bodipys, azadiisoindomethenes were prepared by the addition of Grignard reagents to phthalodinitrile an subsequent reduction with formamide. Starting from these azadiisoindomethenes as precursors, complexes with borondifluoride, boroncatechole and transition metals were synthesized. The optical and electrochemical properties of all compounds prepared were investigated by experimental and theoretical methods. The (dibenzo-)aza-bodipys are characterized by their electronic structure, comprising a central electron acceptor core and peripheral electron donor units. The substituents at the donor units offer a stronger impact on the HOMO energy than on the LUMO energy. Electron donating substituents at the donor units result in an overall decreased HOMO-LUMO gap. This allows to redshift the absorption maximum up to 800 nm. The corresponding dibenzo-analogues already demonstrate a bathochromic shift of the absorption compared to the (non-annulated) aza-bodipys. Yet, the central acceptor is weakened and a further redshift by substituents is less distinct. The compounds can be thermally evaporated in high vacuum. The required thermal stability is increased in some cases by boroncatechol compared to borondifluoride complexes, without significant influence on the optical and electrochemical properties. Besides the characterization of the molecular properties, promising materials were evaluated in thin fifilms and solar cell devices. The charge carrier mobility in the measured compounds were found to be between 10E-6 and 10E-4 cm2V-1s-1. The charge transport parameters were calculated on the basis of obtained single crystal structures. It was found that a high charge carrier mobility may be attributed to a better molecular overlap and a short intermolecular distance in the corresponding solid state structure. Selected materials were characterized in organic solar cells. In solution processed devices, the dibenzo-aza-bodipys reached efficiencies of 1.6 % and 2.1 %, as donor materials in combination with PC61BM and PC71BM as acceptor. The main limiting factor in these devices turned out to be the low fill factor of 30 %. From a series of vacuum processed devices with aza-bodipys and dibenzo-aza-bodipys, increased voltages were obtained with decreasing HOMO energy of the bodipy derivatives. A suitable near-infrared absorbing dibenzo-aza-bodipy exhibited a contribution to the photocurrent from 750 - 950 nm. / Die organische Photovoltaik hat das Potential eine kostengünstige Solarzellentechnologie zu werden. Ein Ansatz die Effizienz weiter zu steigern besteht darin den aktiven Spektralbereich in den nahen Infrarotbereich zu erweitern. Bisher gibt es jedoch nur wenige geeignete Materialien. In dieser Arbeit werden Verbindungen aus der Materialklasse der Aza-Bodipy und Dibenzo-Aza-Bodipy als Absorbermaterialien für den nahen Infrarotbereich zur Verwendung in organischen Solarzellen untersucht. Neben der Synthese von neuen Thiophen-substituierten Aza-Bodipys wurden Azadiisoindomethine durch die Addition von Grignardverbindungen an Phthalodinitril und anschließender Reduktion mit Formamid dargestellt. Ausgehend von den Azadiisoindomethinen sind neue Bordifluorid, Borbrenzcatechin und Übergangsmetallkomplexe synthetisiert worden. Alle Substanzen sind mit experimentellen und theoretischen Methoden auf ihre optischen und elektrochemischen Eigenschaften hin untersucht worden. Die elektronische Struktur der (Dibenzo-)Aza-Bodipys ist charakterisiert durch periphere Elektronendonoreinheiten um einen zentralen Elektronenakzeptor. Die langwelligste Absorptionsbande kann in beiden Systemen durch Elektronen schiebende Gruppen an den Donoreinheiten bathochrom, auf über 800 nm verschoben werden. Die Ursache liegt in einem stärkeren Einfluss der Substituenten auf das HOMO als auf das LUMO und einem damit einhergehenden stärkeren Anstieg der HOMO-Energie woraus eine verkleinerte HOMO-LUMO Lücke resultiert. Die Dibenzo-Aza-Bodipys zeichnen sich durch eine rotverschobene Absorption gegenüber den (nicht benzannulierten) Aza-Bodipys aus. Jedoch ist der Akzeptor in den Dibenzo-Aza-Bodipys abgeschwächt, so dass die Rotverschiebung durch die selben Substituenten weniger stark ausgeprägt ist und die Energieniveaus tendenziell höher liegen. Die Verbindungen lassen sich thermisch im Vakuum verdampfen. Die für das Verdampfen wichtige thermische Stabilität, kann durch Austausch von Bordifluorid mit Borbrenzcatechol erhöht werden, ohne die optischen und elektronischen Eigenschaften wesentlich zu beeinflussen. Neben der Charakterisierung der molekularen Eigenschaften, sind einige Verbindungen im Dünnfifilm auf ihre elektrischen Eigenschaften und in Solarzellen untersucht worden. Die Ladungsträgerbeweglichkeit liegt bei den gemessenen Verbindungen zwischen 10E-6 und 10E-4 cm2V-1s-1. Durch Berechnung der Ladungstransportparameter auf Basis erhaltener Kristallstrukturen ist eine höhere Beweglichkeit auf eine günstigere Packung und einen geringeren intermolekularen Abstand zurückgeführt worden. Ausgewählte Verbindungen sind als Donormaterialien in organischen Solarzellen charakterisiert worden. Aus Lösungsmittel prozessierte Solarzellen mit Dibenzo-Aza-Bodipys erreichen eine Effifizienz von 1.6 % mit PC61BM, und 2.1 % mit PC71BM als Akzeptor. Der Effizienz limitierende Faktor ist hierbei der niedrige Füllfaktor von ca. 30 %. In vakuumprozessierten Solarzellen mit planarem Dono-Akzeptor-Übergang von Aza-Bodipys und Dibenzo-Aza-Bodipys hat sich gezeigt, dass die erhaltene Spannung mit abnehmender HOMO Energie der Materialien gesteigert wird. Ein geeignetes Dibenzo-Aza-Bodipy Material ist mit einen Beitrag zum Photostrom im nahen Infrarotbereich, von 750 - 950 nm, gezeigt worden.

In dieser Arbeit wurde eine neue fehleranalytische Methode zur industriellen Anwendung an neuen Technologien der Aufbau- und Verbindungstechnik entwickelt. Das Verfahren basiert auf der Wechselwirkung von thermischen Wellen und Defekten. Die Besonderheit ist dabei die Zerstörungsfreiheit, die Geschwindigkeit, das Auflösungsvermögen und die durch neueste IR-Detektoren erreichte Temperaturempfindlichkeit. Es wurden grundlegende Studien bezüglich Auflösung und parasitären Effekten bei der Anwendung unter industriellen Randbedingungen durchgeführt. Dabei wurde eine systematische Vorgehensweise bezüglich der Komplexität gewählt. Dies ermöglicht nun u.a. eine Vorhersage der zu erwartenden Prüfdauer zur Auflösung vergrabener Defekte, der Begrenzung der maximalen Anregungsimpulsbreite (bei gegebener Defekttiefe) und die quantitative Ermittlung des Einflusses einer Lackschicht. Methodisch kamen grundsätzlich Simulationen und vergleichende Experimente zum Einsatz. Es wurden spezielle Proben zur Isolierung und Klärung parasitärer Effekte verwendet. Letztlich konnte das Messsystem erfolgreich an industriellen Problemstellung demonstriert werden. Das entwickelte Messsystem zeichnet sich durch hohe Flexibilität aus. Verschiedene problemangepasste Anregungsquellen (interne und externe Anregung durch zahlreiche physikalische Effekte) kommen zum Einsatz. Das Messsystem besteht aus vier Hauptmodulen, der Differenzbild-Methode, der Impulsthermografie, und zwei Varianten der LockIn-Thermografie. Zusammen ist das System in der Lage, Voids, Delaminationen und Risse in verschiedenen Bereichen auch der modernen AVT sicher zu erkennen. Es werden dabei Temperaturauflösugnen bis zu 5 mK und laterale Auflösungen bis 17 µm erreicht. Diese Arbeit legt einen Grundstein für die Anwendung der thermischen Fehleranalytik in der Industrie, indem hier die Grenzen der IR-Messtechnik aufgezeigt und charakterisiert werden. / In this work a new failure analytical method for the industrial application of new technologies in electronic packaging has been developed. The developed method is based on the interaction of the thermal waves and defects. The special fature is non-destructive, speed, resolution and high temperature sensitivity due to latest IR-detectors. It fundamental studies regarding resolution and parasitic effects in the application were carried out cinsidering industrial conditions. Here, a systematic approach regarding the complexity has been selected. This now enables a prediction of the expected test period for detecting buried defects, limits for excitation pulse width (for a given defect depth) and the quantitative determination of the influence of parasitic paints. Methodically always simulations and comparative experiments were used. Simple samples for the isolation and purification of parasitic effects has been used. Finally, the measurement system has been successfully demonstrated on an industrial applications. The developed measurement system is characterized by high flexibility. Different problem-adapted excitation sources (internal and external excitation by numerous physical effects) are used. The measurement system currently consists of four main modules, the difference image method, the pulse thermography, and two variants of LockIn-thermography. Together, the system is capable of detecting voids, delaminations and cracks in various fields of electronic packageing. It will reach temperature resolutions up to 5 mK and lateral resolutions down to 17 µm. This work stes a foundation for the application of thermal failure analysis for industry by showing and charcterization the limits of IR imaging.

Der Vortrag zeigt die Komplexität der Wechselwirkungen zwischen Infrarotstrahler und Werkstoff beim Infrarotschweißen von Kunststoffen auf. Hierfür werden die Haupteinflüsse auf die Strahler-Werkstoff-Wechselwirkungen beschrieben. Diese sind das Emissionsverhalten des Infrarotstrahlers und das Absorptionsverhalten des Kunststoffs. Der Einfluss der Infrarotstrahlerart (Quarzglasstrahler, Metallfolienstrahler) und von Füllstoffen (Ruß, Glasfasern) im Kunststoff wird näher betrachtet. Zudem enthält der Vortrag eine Empfehlung für die Vorgehensweise beim Infrarotschweißen von Kunststoffen, die Vor- und Nachteile des Fügeverfahrens und einen Einblick in aktuelle Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet des Infrarotschweißens von Kunststoffen.

Die Nah-infrarot-Spektroskopie (NIRS) bestimmt kontinuierlich und nicht-invasiv anhand der Absorptionsänderung von nah-infrarotem Licht den Oxy- und Desoxyhämoglobingehalt sowie den Redoxstatus von Cytochrom a/a3 im Gewebe. Veränderungen von zerebralem Oxy- und Desoxyhämoglobingehalt und der daraus abgeleiteten Parameter reflektieren vor allem den venösen Sauerstoffstatus des Gehirns. Sie können ein früher und sensitiver Indikator für eine zerebrale Hypoxie sein. Der Redoxzustandes von Cytochrom a/a3 gibt als Korrelat des zerebralen Energiezustandes Hinweise auf ein kritisches Sauerstoffdefizit. Ziel der Untersuchung. In der experimentellen und klinischen Studie sollten mit einem kommerziell erhältlichen Gerät die Eignung der NIRS zur Überwachung des zerebralen Sauerstoffstatus während Anästhesie und Intensivtherapie bei Hund und Katze, die Messqualität, die auftretenden technischen Probleme und die darstellbaren Ereignisse geprüft werden. In der experimentellen Studie sollten die Veränderungen der zerebralen Oxygenierung und des Redoxzustandes von Cytochrom a/a3 nach verschiedenen zur Narkoseeinleitung beim Hund etablierten Protokollen sowie nach deren Antagonisierung ebenso untersucht werden wie der Zusammenhang der mittels NIRS erfassten Parameter mit denen des pulmonalen Gaswechsels und der Herz-Kreislauf-Funktion. Material und Methoden. In der klinischen Studie wurden Daten von 33 Hunden und 4 Katzen während Anästhesie oder Intensivüberwachung aufgezeichnet. Die experimentelle Studie wurde an 84 Foxhounds und 32 Beagle mit einem mittleren Alter von 12,96 Monaten (STD 13,42; 6,33–94,43 Monate) und einer mittleren Körpermasse von 24,76 kg (STD 6,6; 12,7–43 kg) durchgeführt, die zufällig auf vier Versuchsgruppen verteilt wurden. Die Sensorapplikation erfolgte in beiden Studien in Höhe der Ohrbasis auf geschorener Haut. Versuchsgruppen und –ablauf der experimentellen Studie: Gruppe Acepromazin/l-Methadon(AM): Narkoseeinleitung 0,1 mg/kg KM Acepromazin und 0,5 mg/kg KM l-Methadon i.v., keine weitere Erhaltung Gruppe Diazepam/l-Methadon(DM): 0,5 mg/kg KM Diazepam und 0,5 mg/kg KM l-Methadon i.v., keine weitere Erhaltung Gruppe Medetomidin/l-Methadon(MM): 40 mikrog/kg KM Medetomidin und 0,5 mg/kg KM l-Methadon i.v., keine weitere Erhaltung Propofol(P): Einleitung 0,1 mg/kg KM Propofol i.v., Erhaltung in dieser Gruppe 0,3 mg/kg/min Propofol i.v. In den Gruppen AM, DM und MM Antagonisierung 8 mikrog/kg KM Naloxon i.v. 30 min nach Einleitung, in der Gruppe MM zusätzlich 200 mikrog/kg KM Atipamezol i.v. 5 min später Kontinuierliche Überwachung von Herzfrequenz, EKG, Temperatur, invasiver Blutdruck,Pulsoxymetrie, Nah-infrarot-Spektroskopie. Blutgasanalyse 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30 min nach Einleitung, 0, 2, 7 min nach Antagonisierung/Propofol-Ende Ergebnisse. Die Nah-infrarot-Spektroskopie ist prinzipiell bei Hund und Katze anwendbar, nicht jedoch bei schwarzhaarigen Tieren. Hauptprobleme sind Sensorbefestigung, Bewegungsartefakte und mangelnde Signalqualität. In der experimentellen Studie besteht im Mittel zu 80 % der ausgewerteten Zeit eine gute Messqualität. 14 % der Messungen sind ohne Störung, bei 17 % tritt in mehr als 50 % der Messzeit eine Störmeldung auf. Vor Narkoseeinleitung beträgt die regionale zerebrale Sauerstoffsättigung etwa 65 % (n=109, STD 7 %). Schon 1 Minute nach Einleitung bestehen signifikante Gruppenunterschiede. In Gruppe P steigt die zerebrale regionale Sauerstoffsättigung um etwa 8 %, sie fällt in Gruppe AM um 5 %, in Gruppe DM um bis zu 10 %, in Gruppe MM um maximal 20 % auf etwa 48 %, im weiteren Verlauf verweilt sie annähernd auf diesem Niveau. Zerebraler Oxy- und Desoxyhämoglobingehalt verhalten sich entsprechend. Der zerebrale Gesamthämoglobingehalt zeigt keine Gruppenunterschiede. Nach Antagonisierung erfolgt eine Änderung auf die Ausgangswerte vor Narkose ebenso prompt. Narkoseeinleitung und Antagonisierung haben keinen Effekt auf den Redoxzustand von Cytochrom a/a3. Korrelationen der zerebralen Oxygenierung mit arteriellem Sauerstoffstatus und Kohlendioxidpartialdruck bestehen. Eine periodische Atmung und eine Erhöhung des intraabdominellen Drucks spiegeln sich in parallelen Schwankungen der NIRS-Parameter wider. Die Auswirkungen von wechselnder Narkosetiefe, Erwachen, Hypoxie, Hyperventilation, Adrenalin, Pentobarbital, Herz-Kreislauf-Stillstand auf die NIRS-Parameter können dargestellt werden. Bewegungsartefakte stören häufig die Überwachung von Intensivpatienten. Bei Hunden mit Schädel-Hirn-Trauma ist die Signalqualität der limitierende Faktor. Diskussion. Die Nutzung eines für die Anwendung am Menschen bestimmten Gerätes bedingt aufgrund des spezifischen Weglängenfaktors einen Fehler unbekannter Bedeutung. Die zerebrale Messung konnte gesichert werden, der mögliche extrazerebrale Signalanteil bleibt unbekannt. Die nicht mögliche Nutzung bei schwarzen Tieren und die Artefaktanfälligkeit schränken den Wert der NIRS ein. Die ermittelten Störindizes sind stark methodisch beeinflusst, so dass ihre Beurteilung kritisch erfolgen sollte. Die NIRS ist geeignet, die durch Narkoseeinleitung und Antagonisierung beim Hund verursachten Veränderungen der zerebralen Oxygenierung aufzuzeigen. Eine Abnahme der regionalen zerebralen Sauerstoffsättigung um etwa 20 % (Gruppe MM) über die gesamte Messdauer scheint von klinischer Relevanz. Werte in dieser Höhe werden als Indiz einer kritischen zerebralen Sauerstoffversorgung beurteilt. Parallele Verläufe, positive Zusammenhänge mit dem arteriellen Sauerstoffstatus und negative zum Kohlendioxidpartialdruck zeigen ebenso wie die Effekte der Antagonisierung den entscheidenden Einfluss der Anästhetikabedingten Atemdepression auf den vaskulären zerebralen Sauerstoffstatus. Die mangelnde Reduktion von Cytochrom a/a3 deutet auf das Fehlen einer Störung der intrazellulären Sauerstoffversorgung hin. Die Reaktion der NIRS-Parameter auf eine Narkosekomplikation erfolgt schnell, jedoch unspezifisch, eine Interpretation ist nur in Zusammenhang mit anderen Parametern möglich. Die Beurteilung des Redoxzustandes von Cytochrom a/a3 erscheint schwierig, messtechnische Probleme sind nicht ausgeschlossen. Trotz aller messtechnischen und anwendungsbedingten Probleme wird die NIRS als Bereicherung der Überwachungsmöglichkeiten bei Hund und, sehr eingeschränkt, auch bei der Katze beurteilt. Sie eröffnet erstmals die Möglichkeit, die Auswirkungen von in der klinischen Routine eingeführten Verfahren auf die zerebrale Oxygenierung darzustellen. / ON NEAR-INFRARED-SPECTROSCOPY IN DOG AND CAT - EXPERIMENTAL AND CLINICAL STUDY ON PERIOPERATIVE MONITORING AS WELL AS EFFECTS OF ANAESTHESIA ON CEREBRAL OXYGEN STATUS Alef, Michaele Department of Small Animal Medicine, Faculty of Veterinary Medicine, University of Leipzig Habilitation thesis, 4. Dezember 2002 Near-Infrared-spectroscopy (NIRS) is a method to determine continuously and non-invasively the content of oxy- and deoxyhemoglobin as well as the redox status of cytochrome a/a3 in tissue via absorption changes of near-infrared light. Variations in cerebral content of oxy- and deoxyhemoglobin and parameters derived thereof reflect above all the venous oxygen status of the brain and may thus serve as an early and sensitive indicator of cerebral hypoxia. The redox status of cytochrome a/a3 correlates with the cerebral energy status and may thus serve as an indicator of a critical oxygen deficit. Aim of the study. The study was aimed at assessing in dogs and cats the suitability of NIRS and of an equipment used in human medicine for monitoring the cerebral oxygen status during anaesthesia and intensive therapy. The quality of the measurements, technical problems and the achievable results should be critically checked in experimental and clinical situations. Changes of cerebral oxygenation and of the redox status of cytochrome a/a3 with different established protocols of anaesthesia in dogs and after antagonising had to be investigated in the experimental study as well as well as relationships between parameters obtainable with NIRS and those of pulmonary gas exchange and cardiovascular function. Materials and methods. During the clinical study data from 33 dogs and 4 cats were recorded during anaesthesia and intensive supervision. The experimental investigations were performed with 84 foxhounds and 32 Beagles with a mean age of 12,96 months (STD 13,42; range 6,33–94,43) and a mean weight of 24.76 kg (STD 6.6, range 12.7–43), which were distributed at random into four experimental groups. Sensors were applied near the ear base on shaved skin. Experimental groups and design. Group Acepromazine/l-Methadone(AM): INduction 0.1 mg/kg BW Acepromazine and 0.5 mg/kg BW l-Methadonr i.v., no additional maintenance Group Diazepam/l-Methadone(DM): 0.5 mg/kg BW Diazepam and 0.5 mg/kg BW l-Methadone i.v., no additional maintenance Group Medetomidine/l-Methadone(MM): 40 mikrog/kg BW Medetomidine and 0.5 mg/kg BW l-Methadone i.v., no additional maintenance Group Propofol(P): Induction 0.1 mg/kg BW Propofol i.v., Maintenance 0.3 mg/kg/min Propofol i.v. In groups AM, DM und MM antagonization of the opioide with 8 mikrog/kg BW Naloxone i.v. 30 min after induction, in group MM 200 mikrog/kg BE Atipamezole i.v. 5 min later Continuos Monitoring of heart rate, ECG, temperature, invasive blood pressure,pulse oxymetry, near-infrared-spectroscopy. Blood gas analysis 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30 min post induction and 0, 2, 7 min post Naloxone/end of infusion. Results. NIRS is in principle applicable in dogs and cats but not, however, in black-haired animals. The main problems are the application of the sensor, movement artefacts and poor quality of the measurement signals. In the experimental study good measurement quality could be obtained in on average 80% of the investigation time, 14% of the recordings are without disturbance, in 17% disturbances are recorded in more than 50% of the investigation time. Before the start of anaesthesia the regional cerebral oxygen saturation amounts to about 65% (n=109, STD 7%). Already one minute after the beginning of anaesthesia significant differences between groups are found: In group P the regional cerebral oxygen saturation increases by about 8% while it decreases in group AM by 5%, in group DM by up to 10% and in group MM by maximally 20% to a value of about 48% where it remains roughly during the following time. Cerebral oxy- and deoxyhemoglobin content display an analogous behaviour. There are no inter-group differences in total cerebral hemoglobin content. After antagonising the initial values before the start of anaesthesia are rapidly attained again. Start of anaesthesia and antagonising do not show any influences on the redox status of cytochrome a/a3 while there are correlations between the cerebral oxygenation and the arterial oxygen status and the partial pressure of carbon dioxide. Periodic breathing and an increase of the intra-abdominal pressure are mirrored by variations of the NIRS-parameters, The effects of changing depth of anaesthesia, waking up, hypoxia, hyperventilation, adrenaline, pentobarbital and circulatory arrest can be demonstrated by the NIRS-parameters. Movement artefacts frequently interfere with the monitoring of intensive patients. The signal quality is frequently not sufficient in dogs with severe head trauma. Discussion. The direct application of factors established in humans leads to poorly defined errors. For cerebral measurements the applicability of the method could be confirmed, the possible contribution of extracerebral signals, however, remains unknown. The fact that black-haired animals cannot be investigated and proneness to artefacts limit the value of NIRS. Determined disturbance indices depend strongly on the methods used and should be seen critically. NIRS is suitable to give an indication of changes of cerebral oxygenation caused by the start of anaesthesia and antagonising. A decrease of about 20% in the regional cerebral oxygen saturation during the total measurement time (group MM) appears to be of clinical relevance. Values in this range are taken to be indicative of a critical cerebral oxygen supply. Parallelisms and positive correlations with the arterial oxygen status as well as negative correlations with carbon dioxide partial pressure and the effects of antagonising demonstrate the decisive influence of anaesthesia-related depression of breathing on the vascular cerebral oxygen status. The lack of cytochrome a/a3 reduction indicates that the intracellular oxygen supply is not disturbed. The reaction of NIRS-parameters on the start of anaesthesia is fast, but unspecific, and a meaningful interpretation is only possible in conjunction with other parameters. The evaluation of cytochrome a/a3 redox status appears to be difficult, and technical problems with the measurement cannot be excluded. In spite of these limitations in terms of measurements and applicability NIRS can be judged as a valuable addition for the clinical observation of dogs, less so with cats. The method opens for the first time the possibility to monitor the influence of clinical routines on cerebral oxygenation.

Bei der Förderung von Erdöl wird auch Erdgas gefördert, das oft abgefackelt wird. Das Abfackeln von Erdgas ist sehr schädlich für die Umwelt und die Bewohner einer Umgebung in der Gas abgefackelt wird. Demzufolge ist die Reduktion dieses Prozesses eine wichtige Aufgabe, die durch Monitoring von Gasfackeln unterstützt werden kann. Dies gelingt am besten durch Fernerkundung mit Satellitendaten. Die vorliegende Dissertation widmet sich der Parametrisierung von Gasfackeln anhand von Infrarot-Satellitenaufnahmen. Eine Gruppe von Sensoren wurde verglichen, woraus optimale Eigenschaften eines Sensors zur Gasfackelanalyse abgeleitet wurden. Danach wurde ein Modell zur Berechnung des Gasflusses aus Infrarot-Satellitenaufnahmen entwickelt. Das vorgeschlagene Modell basiert auf der Physik der Verbrennung und wird von Teilmodellen zur Berechnung der Verbrennungsparameter unterstütz. Dadurch werden Prozesse mitberücksichtigt, die bisher in der Gasfackelforschung wenig adressiert wurden. Eine Experimentenreihe erlaubte eine Charakterisierung der Flamme in Bezug auf sich verändernde Bedingungen, z.B. Gasfluss. Zusätzlich wurde das Modell durch die Experimente validiert. Die abgeleitete Genauigkeit der Gasflusswerte ist verhältnismäßig hoch, insbesondere wenn man die Komplexität und Variabilität einer Gasflamme berücksichtigt. Durch Analysieren des Sensordesigns des BIROS Sensors aus der FireBIRD-Mission des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt konnten die Sensorparameter charakterisiert und deren Einfluss auf ein abgeleitetes Bildprodukt quantifiziert werden. Die Fähigkeit des Modells mit unterschiedlichen Sensordaten zu funktionieren, wurde geprüft durch einen Vergleich der geschätzten Gasflusswerte aus Daten von zwei Satellitensensoren. Die verglichenen Gasflusswerte sind sehr ähnlich, was die Fähigkeit des Models mit unterschiedlichen Daten gut zu funktionieren, bestätigt. Das vorgeschlagene Model hat Potenzial, das globale Monitoring von Gasfackeln zu verbessern. / Routine gas flaring is harmful to the environment and people living in the vicinity of gas flares. Therefore, the reduction of this process is an important task, which can be supported by monitoring of gas flares, which can be done with remote sensing techniques. The presented work is devoted to the monitoring of gas flaring. The first aspect of the analysis was to compare a group of sensors with respect to the features crucial for gas flaring analysis. A set of requirements for an optimal sensor for this purpose was proposed. Next, a model for calculating gas flow from infrared satellite imagery was proposed, which relies on several other models, allowing to derive the values of the combustion parameters. By modelling these parameters in a gas flare, processes are accounted for that were scarcely addressed in the research conducted on gas flaring until now. To describe the characteristics of the flame coming from combustion in a flare, an experimental series was designed and conducted. The experimental series allowed to characterise the flame with respect to changing conditions, e.g. gas flow. Thus, the characteristics derived from the experiments could be included in the model for gas flow calculation. Additionally, the experiments served as a mean to validate the model. The accuracy of the derived gas flow values is relatively high, especially considering the variability of a gas flare flame. One design goal of the model for gas flow calculation was to ensure feasibility to work with data from different sensors producing equally accurate results. By analysing the design of the BIROS sensor of the DLR, the sensor parameters could be described, and their influence on the resulting imagery could be quantified. The feasibility was verified by comparing the gas flow values calculated using data from two different satellite sensors. The results obtained are very similar. The model proposed reveals potential to improve the global monitoring of gas flaring.

Der Quantenkaskadenlaser (QCL) ist ein unipolares Intersubbandbauelement dessen Funktionsweise auf Übergängen zwischen dem ersten angeregten Zustand und dem Grundzustand in einem Quantentopf (quantum well, QW) beruht. Er wurde im Jahre 1974 von Kazarinov und Suris theoretisch vorhergesagt und erstmals 1994 von Faist et al. experimentell realisiert. Das Elektron verlässt nach dem Laserübergang nicht das Leitungsband und kann somit durch ein angelegtes elektrisches Feld in die nächste aktive Zone transferiert werden, wo es wiederum einem Laserübergang untergehen kann. Schliesslich, nach einer Reihe solcher Kaskadenprozesse, emittiert ein einzelnes Elektron viele Photonen; dies definiert die hohe Quanteneffizienz der QCLs. Das Hauptproblem bei der kaskadierten Benutzung von aktiven Regionen ist ein schneller Elektronentransport zwischen den emittierenden QWs mithilfe des sogenannten Injektors. Ein schneller Transport der Ladungsträger ist notwendig um das obere Laserniveau zu populieren und das untere zu depopulieren, womit die für die stimulierte Emission notwendige Besetzungsinversion erreicht werden kann. Zur Gewährleistung des schnellen Transports im Injektor ist die Verwendung von Materialien mit einer geringen effektiven Masse naheliegend. Unter den technologisch wichtigen III-V Verbindungen besitzt InAs die geringste elektronische effektive Masse von 0.023m0 (wobei m0 die Masse des freien Elektrons ist). Die binäre Verbindung mit der nächst grösseren effektiven Masse ist GaAs mit m*=0.067m0. Bisher wurden QCLs in beiden, InAs und GaAs und weiterhin im ternären InGaAs basierten QW Materialsystem realisiert. Gegenwärtig zeigen QCLs einen hohen Grad der Reife; hohe Lichtleistung, Dauerstrichbetrieb und Betrieb bei Raumtemperatur sowie Oberflächenemission wurden erzielt. Der von den QCLs abgedeckte spektrale Bereich erstreckt sich von 3.5 Mikrometer bis zu 87 Mikrometer. Trotz des hohen Reifegrades ist der Quantenkaskadenlaser immernoch in der Entwicklung. Speziell die Erweiterung des spektralen Bereichs ist für viele Anwendungen essentiell. Enorme Fortschritte bei der Erweiterung hin zu grösseren Wellenlängen wurden in den letzten Jahren erzielt, dennoch ist der kurzwellige Rekord von 3.5 Mikrometer aus dem Jahre 1998 bisher ungebrochen. Nichtsdestotrotz besitzt der QCL auch im nahen Infrarot das Potential den konventionellen Interbandlaser zu übertreffen. Neben dem Wettstreit um Schwellströme und Ausgangsleistungen, ist aufgrund der andersartigen Physik des Laserüberganges eine verbesserte Anwendungsmöglichkeit im Bereich des schnellen optischen Schaltens zu erwarten. Die Herausforderung im Bereich der kurzwelligen QCLs liegt in der beschränkten Leitungsbanddiskontinuität (CBO) zwischen Quantentopf- und Quantenbarrierenmaterial. Um zwei gebundene elektronische Eigenzustände innerhalb der Quantentöpfe der aktiven Zone zu gewährleisten, wird eine grosse Leitungsbanddiskontinuität benötigt. Weiterhin kann nur so eine ausreichend hohe Barriere zwischen den angeregten Zuständen und dem klassischen Zustandskontinuum bei angelegtem elektrischen Feld erreicht werden. Neben der Notwendigkeit des grossen CBO sollte das Barrierenmaterial eine direkte Bandlücke aufweisen oder zumindest der angeregte Zustand in der aktiven Zone unterhalb des niedrigsten Leitungsbandes des Barrierenmaterials liegen. Mit der Einschränkung bezüglich der Gitterkonstanten von Quantentopf und -barrierenmaterial für ein koh ärentes Wachstum auf einem bestimmten Substrat, endet man bei nur einer Hand voll vielversprechender Materialkombinationen für die Anwendung in QCLs. Das grösste CBO für Materialien mit direkter Bandlücke findet man bei InGaAs/InAlAs. Wir erzielen 520 meV für die ternäre an InP gitterangepasste und 740 meV für die spannungskompensierte In(0.70)Ga(0.30)As/In(0.40)Al(0.60)As Kombination. Unter den Barrierenmaterialien mit indirekter Bandlücke ist die Kombination InAs/AlSb auf GaSb oder InAs mit 2.1 eV CBO im Gamma-valley sehr vielversprechend. Quantenkaskadenlaser basierend auf diesem Materialsystem mit Emission bei 10 Mikrometer wurden kürzlich von Ohtani and Ohno realisiert. Jedoch wurde im kurzwelligen Bereich um 4 und 3 Mikrometer in diesem System bisher nur spontane Emission beobachtet. Damit ist es bis heute ein offene Frage, welches Materialsystem tatsächlich das geeignetste für die Anwendung in kurzwelligen QCLs sein wird und ob es überhaupt möglich sein wird, ihren Wellenlängenbereich auf die Telekommunikationswellenlänge von 1.55 Mikrometer auszuweiten, was zweifellos die grösste Herausforderung darstellt. Oberflächenemission von QCLs ist bisher mittels der Aufbringung einer Rippenstruktur mit kurzer Periode auf der Oberfläche der Laserstreifen erreicht worden. Die Möglichkeit einer Polarisation in der Fläche mithilfe selbstorganisierter Quantenpunktstrukturen innerhalb der aktiven Zone ist ein aktuelles Thema innerhalb der QCL-Gemeinschaft, aber bisher noch unerreicht. Die Kombination aus feldinduzierten Minibändern aus elektronischen Zuständen in konventionellen QCLs und diskreten atomartigen Zuständen in Quantenpunkten ist eine kreative und gleichzeitig widersprüchliche Idee. Dennoch vereint dieses Thema ein gewaltiges Interesse sowohl von theoretischer als auch experimenteller Seite innerhalb der QCL-Gemeinschaft. Diese Arbeit ist der Erweiterung der Materialvielfalt für die Herstellung von Quantenkaskadenlasern gewidmet. Die Mission dieser Forschungsarbeit ist - die Grenzen im Gebrauch des spannungskompensierten Designs des klassischen InGaAs/InAlAs Materialsystems auf InP für kurzwellige Emission auszuloten; - die Möglichkeiten kurzwelliger Intersubbandemission in einer der extraordinären Materialkombinationen für die QCL-Anwendung zu erforschen: spannungskompensiertes InGaAs/InGaP auf GaAs; Die Quintessenz der gesamten Forschungsarbeit besteht in der spannungskompensierten Herangehensweise und den InGaAs enthaltenden Materialsystemen für die Anwendung in Quantenkaskadenlasern. Die Arbeit ist wie folgt strukturiert: Kapitel 1: Die vorliegende Einführung. Kapitel 2: Kurzer überblick der Eigenschaften von Intersubbandübergängen und der Grundlagen der QCL-Funktionsweise. In diesem Kapitel wird eine Einführung in die Eigenschaften von Intersubbandübergängen und den Minibandtransport gegeben. Dieses Kapitel unterstreicht den physikalischen Unterschied von Intersubbandübergängen und Transport zum Fall der Interbandübergnge und gibt eine Einführung in die vorteilhaften Eigenschaften der Intersubbandbauelemente. Weiterhin wird eine Einführung in die Physik des Quantenkaskadenlasers und eine übersicht der Designvielfalt der aktiven Zone gegeben. Im Speziellen wird auf die unterschiedlichen Strategien bei der Erzielung der Besetzungsinversion eingegangen. Kapitel 3: Experimentelles Kapitel. Das 3. Kapitel fasst die erzielten eigenen Ergebnisse innerhalb des InGaAs/InAlAs Materialsystems auf InP zusammen. Dabei konzentriert es sich auf extreme Fälle des spannungskompensierten Designs welche die Realisierung kurzwelliger übergänge zum Ziel haben. Kapitel 4: Experimentelles Kapitel. Im 4. Kapitel werden die erzielten eigenen Ergebnisse innerhalb des InGaAs/InGaP Materialsystems dargestellt. Das InGaAs/InGaP Materialsystem auf GaAs wurde unseres Wissens zuvor füür Intersubbandbauelemente weder benutzt noch vorgeschlagen. Das Kapitel beschreibt den gesamten Verlauf, beginnend mit dem Probenwachstum über grundlegende Materialstudien, bis hin zum Design der QC-Teststruktur und deren Fabrikation. Kapitel 5: Hierin wird die Zusammenfassung der erzielten eigenen Ergebnisse und daraus resultierenden Schlussfolgerungen gegeben. / Quantum cascade lasers, QCL, are unipolar intersubband devices, which work on transitions between the first excited and the ground state in quantum wells, QW. They where predicted theoretically by Kazarinov and Suris 1974, and realized experimentally for the first time by Faist et al. 1994. Electron does not leave the conduction band after the lasing transition in QCL. And therefore it can be used again in the next active region, where it can be transferred due to applied electric field. Finally, after a number of such cascade processes, single electron emits many photons, which defines a high quantum efficiency of QCLs. The key issue in use of cascaded active regions is a fast electron transport in between the emitting QWs (so called, injector region). Fast carrier transfer is needed on the one hand to effectively populate the upper lasing state in active region QW and on the other hand to quickly depopulate the lower lasing state. So that population inversion, necessary for stimulated emission, is achieved. To provide the fast transport in injector region it is likely to deal with materials with a low effective mass. Among the variety of technologically important III-V compounds InAs has the lowest electron effective mass of 0.023m0 (where m0 is the free electron mass). Next low effective mass binary material after InAs is GaAs with m*=0.067m0. Up to now QCLs are realized on both, InAs- and GaAs- as well as ternary InGaAs-based-QW material systems. Currently QCLs show a high level of maturity. High power, cw-operation and room temperature operation as well as surface emission are achieved. Spectral range, covered by QCLs, extends from 3.5 micrometer up to 87 micrometer. Despite of the high level of maturity, QCLs are still under development. In particular, extension of the spectral range of operation is likely for many applications. Tremendous progress was achieved last years in long wavelength range extension of QCLs. However, the short wavelength record of 3.5 micrometer has not been beaten since 1998. Nevertheless, QCLs has a potential to outperform conventional interband lasers also in near infrared spectral range. Apart from competition in threshold current densities and output power, QCLs are expected to be better in fast optical switching operation due to different physics of lasing transitions. The challenge of short wavelength QCLs is a limited conduction band edge offset, CBO, between the quantum well and barrier material. High CBO is needed to confine two quantized electron states in active region QW and to provide sufficient barrier between the excited state and classical continuum of states above the barrier material conduction band edge under applied electric field. More over, despite of high CBO demand, barrier should be the direct band gap material, or at least, the upper lasing state in active region should lay below the lowest conduction band valley in the barrier material. Together with restriction on the lattice constant of both, well and barrier materials, for coherent growth on a certain substrate, we end up with very few promising material combinations for QCL application. The highest CBO for direct band gap materials combination we find in InGaAs/InAlAs. We obtain 520 meV for lattice matched to InP ternaries and about 740 meV for strain-compensated In(0.70)Ga(0.30)As/In(0.40)Al(0.60)As combination. Among the indirect barrier material combinations, very promising is InAs/AlSb on GaSb or InAs with 2.1 eV CBO in gamma-valley. QCL emitting at 10 micrometer has been recently realized on this material system by Ohtani and Ohno. However, at short wavelength, 4 and 3 micrometer, only spontaneous emission is obtained in this material system up to now experimentally. So up to now, it is still an open question, which material system is going to be most suitable for short wavelength QCL application. And it is still an open question, if it is possible at all to extend the operation wavelength of QCLs to the most challenging 1.55 micrometer telecommunication wavelength. Surface emission is achieved in QCLs up to now by manufacturing of the short period grating on the top of the planar laser stripe. The possibility of in-plane polarized emission involving self organized quantum dot structures into the QCL active region is a hot topic in QCL community, but it is not achieved experimentally up to now. Combining the field induced minibands of electron states in conventional QCLs together with discrete atom-like states in QDs is a creative and at the same time contradictive idea. Nevertheless, this topic attracts a huge interest from both, theoretical and experimental, side of QCL community. This work is dedicated to make a step forward in extension of material variety used for QCL fabrication. The mission of this research is - to find out the limits of use of strain-compensated designs on classical InGaAs/InAlAs material system on InP to achieve the short wavelength generation; - to discover the possibilities of short wavelength intersubband generation in one of extraordinary material combinations for QCL application: strain-compensated InGaAs/InGaP on GaAs; The bottom line of the whole research is strain compensation approach and InGaAs containing material systems for QCL application. Present work consist of: Chapter 1: The current introduction. Chapter 2: Brief overview of intersubband transitions properties and the basics of QCL action. In the overview-chapter an introduction into the properties of intersubband transitions and miniband transport is given. This chapter underlines the difference in physics of intersubband transitions and transport comparing to the case of interband transitions; and gives an introduction into the advantageous properties of intersubband devices. This chapter gives an introduction into the quantum cascade laser physics and overview on variety of active region designs. This chapter is, specially, dedicated to point out different ways of achieving the population inversion in each QCL active region approach. Chapter 3: Experimental chapter. Third chapter describes obtained original results on InGaAs/InAlAs material system on InP during the present work. It concentrates on extreme cases of strain-compensated designs for achieving the short wavelength transitions. Chapter 4: Experimental chapter. Forth chapter describes obtained original results on InGaAs/InGaP material system. InGaAs/InGaP material system on GaAs was never before, up to our knowledge, proposed or used for intersubband devices. So, the chapter describes all the way from the sample growth issues and basic study of this material up to QC test-structure design and fabrication. Chapter 5: Here, the summary of obtained original results and conclusions are given.

Auf dielektrische Substrate wurden Schichten aus Gold thermisch aufgedampft. Die Schichten wurden neben anderen Methoden wie AFM oder der Messung der Schichtleitfähigkeiten hauptsächlich mit Hilfe der spektroskopischen IR-Ellipsometrie (SIRE) in einem Schichtdickenbereich von 4 bis 60 nm systematisch untersucht. Aus den primär ermittelten ellipsometrischen Parametern tan(Psi) und Delta lassen sich der Brechungsindex n und der Absorptionsindex k bestimmen und auch weitere Größen wie z.B. der elektrische Widerstand bzw. die elektrische Leitfähigkeit errechnen. Die untersuchten Schichten lassen sich anhand der optischen, topographischen und elektrischen Eigenschaften in drei Gruppen einteilen: Dielektrische, aus isolierten Goldinseln bestehende Filme (4 bis 6 nm), Schichten in einem Übergangsbereich (8 bis ca. 16 nm), metallische Schichten (ab ca. 16 nm). Die dielektrischen Goldinselfilme zeigen optische Eigenschaften, die bislang für keine anderen Proben beschrieben worden sind. Der Brechungsindex n ist hoch (4 bis 9 bei 2400/cm) und der Absorptionsindex k klein (0 bis 4 bei 2400/cm). Beide Indizes sind spektral weitgehend konstant. Daß diese Filme dielektrische Eigenschaften besitzen, steht in direktem Widerspruch zur allgemeinen SEIRA-Literatur. Die Inselstruktur der dielektrischen Filme verursacht einen Verstärkungseffekt, der als Oberflächenverstärkte Infrarotabsorption (surface-enhanced infrared absorption - SEIRA) bekannt ist. Es zeigte sich, daß die optischen Konstanten der Filme einen erheblichen Einfluß auf die SEIRA-Verstärkung ausüben. Um Inselfilme mit reproduzierbaren optischen Eigenschaften herstellen zu können, wurde ein lithographisches Verfahren entwickelt. Auf einer geschlossenen, homogenen Goldschicht wurden monodisperse Nanopartikel aus Polystyrol (PS) in einer Monolage deponiert. Die PS-Nanopartikel dienten in einem trockenen Ätzprozeß im Ar-Plasma als lithographische Maske, um die darunterliegende Au-Schicht zu strukturieren. / Thin films were produced on dielectric substrates by thermal evaporation of gold in a high vacuum chamber. These films were investigated systematically in a range between 4 and 60 nm thickness. The method mainly applied was the spectroscopic IR-ellipsometry (SIRE), in addition to other methods like AFM or sheet resistance measurement. The primary results are the ellipsometric parameters tan(Psi) and Delta. They were used to determine the refractive index n and the absorption index k. Electrical parameters can also be calculated. Depending on the optical, topographical and electrical properties the population of different layers can be divided into three parts: dielectric films with isolated gold islands (4 to 6 nm), layers in a transient area (8 to ca. 16 nm), metal films (ca. 16 to 60 nm). The optical properties shown by dielectric gold island films were never before described for other samples. The refractive index n is high (4 to 9 at 2400/cm) and the absorption index small (0 to 4 at 2400/cm). Both indices are nearly constant in the spectral range. Directly in contrast to the SEIRA-literature the island films show dielectric properties. The island structure of the dielectric films gives rise to an enhancement effect called surface-enhanced infrared absorption (SEIRA). It could be shown that the optical constants of the island films have a considerable influence on the enhancement factors. A lithographic method was developed in order to find a way for manufacturing island films with reproducible optical properties. Monodispers polystyrene nanoparticles were deposited in a monolayer on a dense gold layer on a dielectric substrate. The layer of nanoparticles was used as a mask for a dry etch process in a reactive Ar-plasma.

In dieser Arbeit untersuchen wir die ultraschnelle Dynamik von Ladungsträgern und kohärenten Intersubbandpolarisationen in quasi-zweidimensionalen Halbleiternanostrukturen und Halbleiterbauelementen. Insbesondere werden n-Typ modulationsdotierte multiple Quantentöpfe und Quantenkaskadenlaserstrukturen basierend auf dem Materialsystem GaAs/AlGaAs mit der Methode der ultraschnellen Spektroskopie im mittleren Infrarot (3-20 mu) studiert. Ein neuartiger experimenteller Aufbau ist entwickelt worden, der zum ersten Mal das phasen- und amplitudenkontrollierte Formen von ultraschnellen Feldtransienten im mittelinfraroten Spektralbereich erlaubt. Wir untersuchen die Möglichkeit der kohärenten Kontrolle von Intersubbandübergängen. Amplituden- und phasenkonntrollierte Feldtransienten im mittleren Infrarot, die mit unserer neuen Laserquelle erzeugt werden, induzieren resonante Intersubbandanregungen in n-Typ modulationsdotierten GaAs/AlGaAs Quantentöpfen. Die transmittierten elektrischen Feldtransienten werden mit Hilfe des ultraschnellen elektro-optischen Abtastverfahrens gemessen. Unter Anwendung zweier phasengekoppelter Mittinfarotpulse variabler relativer Phase zeigen wir erstmalig die kohärente Kontrolle an linearen Intersubbandpolarisationen mit Dephasierungszeiten unterhalb einer Pikosekunde. Eine Sättigung von mehr als 0.2 wird bei einer Mittinfrarotpulsenergie von nur 1 pJ erreicht. Es wird erstmalig ein direktes, zeitaufgelöstes Experiment an elektrisch betriebenen Quantenkaskadenstrukturen vorgestellt. Diese Untersuchung ermöglicht den Einblick in die Dynamik des Elektronentransports, der mit stationären Methoden nicht meßbar ist. Der ultraschnelle Quantentransport der Elektronen vom Injektor durch die Injektionsbarriere in das obere Lasersubband wird in Femtosekunden-Mittinfrarot-Anreg-Abtast-Experimenten untersucht. Auf diese Weise beobachten wir die ultraschnelle Sättigung und die nachfolgende Wiederherstellung des elektrisch induzierten Gains. Wir beobachten ausgeprägte Gainoszillationen bei angelegtem Vorwärtsstrom und an spektralen Positionen am Gainmaximum. Dies ist ein direkter Beweis für eine kohärente Wellenpaketspropagation vom Injektor in das obere Lasersubband mittels resonantem Tunneln trotz der hohen Ladungsträgerdichte in Quantenkaskadenlasern. Nach der Sättigung ist der elektrisch induzierte Gain bei niedrigen Gitter- und Ladungsträgertemperaturen innerhalb einer Pikosekunde vollständig wiederhergestellt. / In this thesis we investigate the ultrafast dynamics of carriers and coherent intersubband polarizations in quasi-two-dimensional semiconductor nanostructures and devices. In particular, we study n-type modulation doped multiple quantum wells and quantum cascade laser structures based on the GaAs/AlGaAs material system using ultrafast spectroscopy in the mid-infrared spectral range (3-20 mu). A novel experimental setup is developed allowing for the first time the controlled phase and amplitude shaping of ultrafast field transients in the mid-infrared wavelength range. We study the feasibility of coherent nonlinear control of intersubband polarizations. Amplitude and phase-controlled mid-infrared field transients from our new laser source induce resonant intersubband excitations in n-type modulation doped GaAs/AlGaAs quantum wells. The transmitted electric field transients are directly measured by ultrafast electro-optic sampling. We demonstrate for the first time coherent control of linear intersubband polarizations with subpicosecond dephasing times by applying two phase-locked pulses with variable relative phase. A saturation of the intersubband excitation by more than 0.2 is achieved with mid-infrared pulses of only 1 pJ pulse energy. We present for the first time a direct time-resolved experimental study on electrically driven quantum cascade laser structures. These studies provide insight into the dynamics of electron transport, which can not be obtained by stationary measurements. The ultrafast quantum transport of electrons from the injector through the injection barrier into the upper laser subband is investigated in femtosecond mid-infrared pump-probe experiments. In this way we directly monitor the ultrafast saturation and subsequent recovery of electrically induced gain. For forward bias and spectral positions around the gain maximum we observe pronounced gain oscillations. This gives direct evidence for a coherent wave packet motion from the injector into the upper laser subband via resonant tunneling even at the high electron density present in a quantum cascade laser structure. After saturation the electrically induced gain is completely recovered within 1 ps at low lattice and carrier temperatures.

In dieser Arbeit wird das Wachstum von dünnen quasi-kristallinen Ge-Sb-Te (GST) Schichten mittels Molekularstrahlepitaxie demonstriert, die zu einer geordneten Konfiguration von intrinsischen Kristallgitterfehlstellen führen. Es wird gezeigt, wie es eine Strukturanalyse basierend auf Röntgenstrahlbeugungssimulationen, Dichtefunktionaltheorie und Transmissionselektronenmikroskopie ermöglicht, eine eindeutige Beurteilung der Kristallgitterlückenanordnung in den GST-Proben vorzunehmen. Das Verständnis für die Ordnungsprozesse der Gitterfehlstellen erlaubt eine gezielte Einstellung des Ordnungsgrades selbst, der mit der Zusammensetzung und der Kristallphase des Materials in Zusammenhang steht. Auf dieser Basis wurde ein Phasendiagramm mit verschiedenen Wachstumsfenstern für GST erstellt. Des Weiteren wird gezeigt, dass man eine hohe Ordnung der Gitterfehlstellen in GST auch durch Ausheizprozesse und anhand von Femtosekunden-gepulster Laserkristallisation von amorphem Material erhält, das zuvor auf einem als Kristallisationsgrundlage dienenden Substrat abgeschiedenen wurde. Diese Erkenntnis ist bemerkenswert, da sie zeigt, dass sich kristalline GST Schichten mit geordneten Kristallgitterlücken durch verschiedene Herstellungsprozesse realisieren lassen. Darüber hinaus wurde das Wachstum von GeTe/Sb2Te3 Übergittern durchgeführt, deren Struktur die von GST mit geordneten Gitterfehlstellen widerspiegelt. Die Möglichkeit den Grad der Gitterfehlstellenordung in GST gezielt zu manipulieren wurde mit einer Studie der Transporteigenschaften kombiniert. Die Anwendung von großflächigen Charakterisierungsmethoden wie XRD, Raman und IR-Spektroskopie, erlaubte die Bestimmung der Phase und des Fehlstellenordnungsgrades von GST und zeigte eindeutig, dass die Fehlstellenordnung für den Metall-Isolator-Übergang (MIT) verantwortlich ist. Insbesondere wird durch das Vergleichen von XRD-Messungen mit elektrischen Messungen gezeigt, dass der Übergang von isolierend zu leitend erfolgt, sobald eine Ordnung der Kristallgitterlücken einsetzt. Dieses Phänomen tritt in der kubischen Kristallphase auf, wenn Gitterfehlstellen in GST von einem ungeordneten in einen geordneten Zustand übergehen. Im zweiten Teil des Kapitels wird eine Kombination aus FIR- und Raman-Spektroskopie zur Untersuchung der Vibrationsmoden und des Ladungsträgerverhaltens in der amorphen und der kristallinen Phase angewendet, um Aktivierungsenergien für die Elektronenleitung, sowohl für die kubische, als auch für die trigonale Kristallphase von GST zu bestimmen. Hier ist es wichtig zu erwähnen, dass, in Übereinstimmung mit Ergebnissen aus anderen Untersuchungen, das Auftauchen eines MIT beim Übergang zwischen der ungeordneten und der geordneten kubischen Phase beobachtet wurde. Schlussendlich wurden verschiedene sogenannte Pump/Probe Technik, bei der man das Material mit dem Laser anregt und die Röntgenstrahlung oder Terahertz (THz)-spektroskopie als Sonde nutzt, angewandt. Dies dient um ultra-schnelle Dynamiken zu erfassen, die zum Verständnis der Umschaltmechanismen nötig sind. Die Empfindlichkeit der THz-Messungen hinsichtlich der Leitfähigkeit, sowohl in GST, als auch in GeTe/Sb2Te3 Übergittern zeigte, dass die nicht-thermische Natur der Übergitterumschaltprozesse mit Grenzflächeneffekten zusammenhängt und . Der Ablauf wird mit beeindruckender geringer Laser-Fluenz erreicht. Dieses Ergebnis stimmt mit Berichten aus der Literatur überein, in denen ein Kristall-zu Kristallwechsel von auf Übergittern basierenden Speicherzellen für effizienter gehalten wird als GST Schmelzen, was zu einen ultra-schwachen Energieverbrauch führt. / The growth by molecular beam epitaxy of Ge-Sb-Te (GST) alloys resulting in quasi-single-crystalline films with ordered configuration of intrinsic vacancies is demonstrated. It is shown how a structural characterization based on transmission electron microscopy, X-ray diffraction and density functional theory, allowed to unequivocally assess the vacancy ordering in GST samples, which was so far only predicted. The understanding of the ordering process enabled the realization of a fine tuning of the ordering degree itself, which is linked to composition and crystalline phase. A phase diagram with the different growth windows for GST is obtained. High degree of vacancy ordering in GST is also obtained through annealing and via femtosecond-pulsed laser crystallization of amorphous material deposited on a crystalline substrate, which acts as a template for the crystallization. This finding is remarkable as it demonstrates that it is possible to create a crystalline GST with ordered vacancies by using different fabrication procedures. Growth and structural characterization of GeTe/Sb2Te3 superlattices is also obtained. Their structure resembles that of ordered GST, with exception of the Sb and Ge layers stacking sequence. The possibility to tune the degree of vacancy ordering in GST has been combined with a study of its transport properties. Employing global characterization methods such as XRD, Raman and Far-Infrared spectroscopy, the phase and ordering degree of the GST was assessed, and unequivocally demonstrated that vacancy ordering in GST drives the metal-insulator transition (MIT). In particular, first it is shown that by comparing electrical measurements to XRD, the transition from insulating to metallic behavior is obtained as soon as vacancies start to order. This phenomenon occurs within the cubic phase, when GST evolves from disordered to ordered. In the second part of the chapter, a combination of Far-Infrared and Raman spectroscopy is employed to investigate vibrational modes and the carrier behavior in amorphous and crystalline phases, enabling to extract activation energies for the electron conduction for both cubic and trigonal GST phases. Most important, a MIT is clearly identified to occur at the onset of the transition between the disordered and the ordered cubic phase, consistently with the electrical study. Finally, pump/probe schemes based on optical-pump/X-ray absorption and Terahertz (THz) spectroscopy-probes have been employed to access ultrafast dynamics necessary for the understanding of switching mechanisms. The sensitivity of THz-probe to conductivity in both GST and GeTe/Sb2Te3 superlattices showed that the non-thermal nature of switching in superlattices is related to interface effects, and can be triggered by employing up to one order less laser fluences if compared to GST. Such result agrees with literature, in which a crystal to crystal switching of superlattice based memory cells is expected to be more efficient than GST melting, therefore enabling ultra-low energy consumption.