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Braunschweig, Techn. Univ., Diss., 1999. / Computerdatei im Fernzugriff.

Braunschweig, Techn. Univ., Diss., 1999. / Computerdatei im Fernzugriff.

Braunschweig, Techn. Universiẗat, Diss., 1999.

Freiberg (Sachsen), Techn. Universiẗat, Diss., 2002.

The presented work describes new concepts of fast switching elements based on principles of photonics. The waveguides working in visible and infra-red ranges are put in a basis of these elements. And as materials for manufacturing of waveguides the transparent polymers, dopped by molecules of the dyes possessing second order nonlinear-optical properties are proposed. The work shows how nonlinear-optical processes in such structures can be implemented by electro-optical and opto-optical control circuit signals. In this paper we consider the complete cycle of fabrication of several types of integral photonic elements. The theoretical analysis of high-intensity beam propagation in media with second-order optical nonlinearity is performed. Quantitative estimations of necessary conditions of occurrence of the nonlinear-optical phenomena of the second order taking into account properties of used materials are made. The paper describes the various stages of manufacture of the basic structure of the integrated photonics: a planar waveguide. Using the finite element method the structure of the electromagnetic field inside the waveguide in different modes was analysed. A separate part of the work deals with the creation of composite organic materials with high optical nonlinearity. Using the methods of quantum chemistry, the dependence of nonlinear properties of dye molecules from its structure were investigated in details. In addition, the paper discusses various methods of inducing of an optical nonlinearity in dye-doping of polymer films. In the work, for the first time is proposed the use of spatial modulation of nonlinear properties of waveguide according Fibonacci law. This allows involving several different nonlinear optical processes simultaneously. The final part of the work describes various designs of integrated optical modulators and switches constructed of organic nonlinear optical waveguides. A practical design of the optical modulator based on Mach-Zehnder interferometer made by a photolithography on polymer film is presented. / Die vorliegende Arbeit beschreibt neue Konzepte für schnelle photonische Schaltelemente. Diese Elemente basieren auf optischer Wellenleitung im sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich. Die Arbeit ist auf organische Wellenleiter aus transparenten, farbstoffdotierten Polymeren fokussiert, welche Chromophore mit besonders großen optischen Nichtlinearitäten zweiter Ordnung enthalten. Insbesondere wird dargestellt, wie nichtlineare optische Prozesse in derartigen Bauelementen genutzt werden können, wenn man elektrische oder optische Steuersignale einsetzt. Es wird der gesamte Her-stellungszyklus verschiedener integrierter photonischer Bauelemente betrachtet. Die Arbeit umfasst weiterhin eine detaillierte theoretische Analyse der Wellenausbreitung in Medien mit großer nichtlinearer optischer Suszeptibilität zweiter Ordnung bei hoher Lichtintensität. Unter Annahme optischer Materialkonstanten, welche den experimentell ermittelten Werten entsprechen, erfolgte eine quantitative Abschätzung für das Auftreten von Szenarien, bei denen messbare Abwei-chungen der Strahlausbreitung vom linearen Regime auftreten, z:B. das Auftreten von zeitlichen, räumlichen und spektralen Satteliten zu den im Material propagierenden Laserpulsen. Es gelang, we-sentliche Aspekte der Strahlpropagationsprozesse durch Anwendung von Jacobi-Integralfunktionen in geschlossener mathematischer Form darzustellen. Darüber hinausgehende theoretische Untersuchungen nutzten die Finite-Elemente-Methode, um die Verteilung des elektromagnetischen Feldes im Inneren optischer Wellenleiter für verschiedene Pro-pagationsmoden zu analysieren. Ein weiterer Teil der Arbeit beschäftigt sich mit organischen Kompositmaterialen, welche große opti-sche Nichtlinearitäten aufweisen. Mittels quantenchemischer Verfahren erfolgte eine detaillierte Un-tersuchung der Zusammenhänge zwischen der molekularen Struktur und den linearen sowie den nichtlinearen optischen Eigenschaften der untersuchten Farbstoffmoleküle und Polymere. In Bezug auf die Probenpräparation sind unterschiedliche Verfahren zur Schichtbildung und zur molekularen Orientierung miteinander verglichen und bewertet worden, da letztere eine Voraussetzung für das Auftreten nichtlinearer optischer Prozesse zweiter Ordnung bildet. Die Untersuchungen erstreckten sich auf Vakuumaufdampfschichten aus niedermolekularen Chromophoren und auf Polymerschich-ten, welche durch Vakuumabscheidung sowie durch Spincoating oder andere Flüssigphasenabschei-dungsverfahren hergestellt worden sind. Auf orientierenden Substraten (z.B. geriebene Schichten aus Polytetrafluoräthylen) konnte eine spontane Orientierung der deponierten Chromophore nachgewie-sen werden. Die Chromophore in Polymerschichten wurden durch Coronapolung orientiert. In der Arbeit ist zum ersten Mal vorgeschlagen worden, eine räumliche Modulation der nichtlinearen optischen Eigenschaften durch gezielte lokale Coronapolung oder andere Orientierungstechniken derart zu generieren, dass die Abfolge gepolter Domänen dem Bildungsgesetz einer modifizierten Fibonacci-Reihe mit gebrochen rationalen Zahlen gehorcht. Der Vorteil von optischen Wellenleitern mit dieser Struktur darin, dass diese mehrere unterschiedli-che nichtlineare optische Prozesse gleichzeitig unterstützen und somit eine Vielzahl neuartiger Phä-nomene auftreten kann, welche man in neuartigen photonischen Bauelementen, z.B. für die optische Informations- und Kommunikationstechnik nutzen kann. Der letzte Teil der Arbeit beschreibt den Aufbau verschiedener integrierter optischer Modulatoren und Schalter, die sich mit Hilfe das neu entwickelten Verfahrens herstellen lassen. Zukünftige Entwicklungen in der Photonik, insbesondere der optischen Informations- und Kommuni-kationstechnik werden im abschließenden Teil der Arbeit diskutiert.

Die metallorganische Chemie spielt eine große Rolle in der Materialwissenschaft. Als besonders interessant hat sich die Einführung von Übergangsmetallen in organischen Polymer-Ketten bewährt, da man damit die physikalischen Eigenschaften dieser neuartigen Polymere verändern kann. Die große Variationsbreite an Strukturen und Oxidations-Stufen der metallorganischen Fragmente hat zur Entwicklung von Flüssigkristallen sowie von Kunststoffen mit magnetischen oder nicht-lineare optischen Eigenschaften geführt. In dieser Arbeit wird über die Synthese von zwei- und mehrkernigen Komplexen mit konjugierten Kohlenstoffbrücken und Vinyliden- oder Acetylenliganden als Endgruppen des Typs R1CºC-[M]=C=C(H)-R-(H)C=C=[M]-CºCR2 (A) und R1(H)C=C=[M]-CºC-R-CºC-[M]=C=C(H)R2 (B) (R1 = Akzeptorgruppe, R2 = Donorgruppe, R = Arylgruppe, [M] = Übergangsmetall-Komplexfragment) berichtet. Eine Synthesestrategie dafür wurde zuerst die Darstellung von eins- und mehrkernigen Fluoro- und Hydroxokomplexen der allgemeinen Zusammensetzung trans-[MX(L)(PiPr3)2] (M = Rh, Ir; X = OH, F; L = C=CHR’, CO, CNC6H3-2,6-Me2), trans-[{MX(PiPr3)2}n{µ-C6H(6-n) (CH=C=)n}] (n = 2, 3) und zweitens ihre Reaktivität gegenüber stannylierten 1-Alkinen und Dialkinen. Die Bedeutung der Hydroxo- und Fluoro-Komplexe liegt in ihrer erhöhten Reaktivität gegenüber Brönsted-Säuren und stannylierten Alkinen im Vergleich zu den Chloro-, Bromo und Iodo-Analoga. Solche Komplexe wurden auch mit Diisocyaniden als Brücken-Ligand synthetisiert. Wegen der Neuartigkeit von Alkinyl(isocyanid)rhodium(I)-Komplexen sollten verschiedene Syntheserouten zu diesen Verbindungen erkundet werden. Ihre Reaktivität wurde auch untersucht. Vor diesem Hintergrund war das Ziel der vorliegenden Arbeit, zunächst den Kreis der bekannten Alkinyl- und Vinyliden-Übergangsmetallkomplexe mit einem, zwei oder drei Metallzentren zu erweitern, in denen die Metalle durch ein konjugiertes p-Elektronensystem verbunden sind. An solchen Systemen sollte im Hinblick auf ihre Anwendungen als NLO-Materialien der Einfluss von Ligandsubstitution systematisch untersucht werden. In diesem Zusammenhang wurde eine Untersuchung mit Hilfe von IR- und RAMAN-Spektroskopie sowie quantenchemische Berechnungen des trans-Einflusses der Halogenliganden in quadratisch-planaren Rhodium(I)-Komplexe des Typs trans-[MX(L)(PiPr3)2] (X = F, Cl, Br, I; L = CO, =C=CH2, CNC6H3-2,6-Me2) in Kooperation mit D. Moigno am Institut für Physikalische Chemie am Lehrstuhl von Prof. W. Kiefer durchgeführt. / The organometallic chemistry is very significant in the materials research. Particularly, is interesting the insertion of transition metals in organic polymer chains due their potential to chain the physical properties of the new polymers. The variation of the structures and oxidation states of the organometallic fragments has carried to development of liquid crystals and nonlinear optic materials. In this work were studied the synthesis of mono- and oligonuclear complexes in which the metals centres are linked through unsaturated carbon chains and as end groups vinylidene or acetyl ligands of the types R1CºC-[M]=C=C(H)-R-(H)C=C=[M]-CºCR2 (A) and R1(H)C=C=[M]-CºC-R-CºC-[M]=C=C(H)R2 (B) (R1 = acceptor group, R2 = donor group, R = aryl group, [M] = transition metal complex fragment). A convenient method for the synthesis of these compounds was in first place the synthesis of mono- and oligonuclear fluoro and hydroxo complexes of the general composition trans-[MX(L)(PiPr3)2] (M = Rh, Ir; X = OH, F; L = C=CHR’, CO, CNC6H3-2,6-Me2), trans-[{MX(PiPr3)2}n{µ-C6H(6-n) (CH=C=)n}] (n = 2, 3) and in second place their reactivity towards stannylated 1-alkynes and Dialkynes. Fluoro and hydroxo complexes are showing a higher reactivity towards Brönsted acids and stannylated alkins than the analogues chloro, bromo and iodo complexes. Similar compounds with a diisocyanide as bridging unit were also synthesised. Different preparative routes were investigated for the synthesis of these new alkinyl(isocyanide)rhodium(I) complexes, such as their reactivity. Therefore, the aim of this thesis was, to increase the circle of the famous acetylide and vinylidene transition metal complexes with one, two or three metals, in which the metals centres are linked through conjugate p-electron systems. The trans influence of halide ligands on square-planar rhodium(I) complexes of type trans-[RhX(L)(PiPr3)2] (X = F, Cl, Br, I; L = CO, =C=CH2, CNC6H3-2,6-Me2) was studied though IR- and RAMAN-Spectroscopy as quanten-chemical measures. This is interesting in order to improve the applications of this influence. The last mentioned work was carried in collaboration with D. Moigno (institute for physical chemistry: Prof. W. Kiefer).

The development of high-efficiency nonlinear optical (NLO) polymers has opened up many opportunities in the field of electro-optics. However, current NLO polymers do not meet stability requirements for semiconductor integration. In an effort to improve this, we examined the effects of crosslinking following electric field poling. A series of photocrosslinkable polymers bearing side chain chromophores was synthesized, poled and evaluated on the basis of the thermal stability of Second Harmonic Generation. Photoinitiation allowed for control of the onset of curing. Crosslinking was monitored by FTIR and optimal conversion was achieved by applying a slow temperature ramp during exposure. The ultimate stability of the poled polymers was directly related to the number of crosslinking substituents attached to the chromophore pendant group. With two reactive groups per chromophore significant SHG was retained at temperatures beyond the polymer Tg. In integrated circuit packaging there is a need for directly-patternable polymers of low dielectric constant. Bridging the gap between the high-value silicon chip and circuit board is a substrate comprising alternating layers of metal conductor and polymer dielectric. PMDA-ODA, an aromatic polyimide, meets many of the requirements for integration and can be patterned using a photobase generator (PBG). Due to absorbance by the PMDA-ODA precursor, this PBG must have activity at visible wavelengths. Several oxime urethanes were synthesized and evaluated as candidate long wavelength PBG. These compounds exhibit clean photochemistry and high visible light sensitivity. Unfortunately, carbamate thermal stability is insufficient for patterning PMDA-ODA. For improved material properties, PMDA-TFMB, a fluorinated polyimide, was also evaluated. Importantly, the polymer precursor is sufficiently transparent to employ thermally-stable near-UV photobases. With photobase, 2.5 micron features were resolved in PMDA-TFMB. An ancillary benefit of this methodology is reduced cure temperature (~200 °C), a traditional drawback of polyimides. This material demonstrates a dielectric constant near 3 and a thermal expansion coefficient (CTE) of approximately 6 ppm/°C in-plane. Through-plane thermal expansion is somewhat problematic, with a CTE of approximately 160 ppm/°C, and will likely require a nanoparticle composite strategy. However, this combination of material and lithographic properties make PMDA-TFMB a promising candidate for this application. / text

Universiẗat, Diss., 2005--Jena.

In order to fully understand the third order nonlinear optical response of materials under high irradiance excitation it is necessary to study the temporal and polarization dependence of nonlinear refraction and absorption. There are several existing approaches such as Z-scan and pump-probe techniques to determine those responses. As part of this work, these approaches will be briefly outlined before presenting beam deflection, applied from photothermal beam deflection, as an alternative experimental technique to determine the nonlinear refraction with its temporal and polarization dynamics. This technique measures the angle of the probe beam deflected via the index gradient of the material induced by strong excitation beam, to determine both the sign and magnitude of the nonlinear refraction. The temporal and tensor properties of the nonlinear refractive index can be determined by introducing a delay line, and by varying the polarization of the excitation and probe beam, respectively. To demonstrate the practicality of the beam deflection technique, we performed measurements on Fused Silica, Carbon Disulfide and Zinc Oxide. Each of these samples shows quite different nonlinear responses. Amorphous fused silica exhibits nonlinear refraction purely from instantaneous electronic contribution; while Carbon Disulfide shows a much slower response, originating not only from the electronic contribution but also from non-instantaneous nuclear movements (e.g. molecular orientation). These two contributions can be separated by varying the polarization direction of the excitation and probe beam. By introducing lock-in detection technique, a sensitivity of λ/5500 can be achieved. In Zinc Oxide, a wide-bandgap semiconductor, we measure both nonlinear refraction and two-photon absorption simultaneously. Therefore the beam deflection is a sensitive technique, which can be used to measure the time and polarization dynamics of the nonlinear response of the material