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Ce mémoire présente différentes techniques permettant de produire des impulsions lumineuses très brèves. Dans un premier temps, nous avons conçu et réalisé un laser nd:yag continu a modes couples activement et double en fréquence. Ce laser délivre des impulsions dont la largeur a mi-hauteur en intensité est voisine de 60 picosecondes a 532 nanomètres, repetitives a 82 mhz. La puissance moyenne des impulsions est suffisante pour permettre le pompage d'un laser a colorant en mode synchrone. Ce dernier délivre des impulsions lumineuses dont la durée est voisine de 10 picosecondes et répétitives a 82 mhz. L'ensemble du système a été caractérise en utilisant des caméras a balayage de fente en mode sinusoïdal ou en mode monocoup. Nous avons ensuite étudié la possibilité de produire des impulsions femtosecondes (10##1#5 s) en comprimant les impulsions délivrées par un laser a colorant a deux jets (milieu amplificateur rh6g), absorbant saturable (dodci). Avant compression, ces impulsions ont une largeur a mi-hauteur en intensité voisine de une picoseconde et sont répétitives a environ 80 mhz. Nous avons pu comprimer ces impulsions jusqu'a des durees voisines de 130 femtosecondes. Les résultats expérimentaux sont très proches des prévisions théoriques. Enfin, nous avons produit directement des impulsions lumineuses femtosecondes a partir d'une cavité laser dont le milieu amplificateur est un cristal de saphir dope au titane (ti:al#2o#3). Dans un premier temps, le couplage des modes est réalisé a l'aide d'un modulateur acousto-optique. Dans cette configuration, le laser produit des impulsions dont la durée est aussi courte que 10 picosecondes, répétitives a 125 mhz et dont le domaine d'accord en longueur d'onde est limite par les miroirs entre 72 et 800 nanomètres. Dans un second temps, le couplage des modes est réalisé en utilisant un absorbant saturable (hitci) et la dispersion intracavite est aju.

Verbindungshalbleiter mit einer großen Bandlücke wie Galliumnitrid (GaN) sind aufgrund ihrer hervorragenden elektronischen Eigenschaften für die Halbleiterindustrie von großem Interesse. Die Hochtemperatur-Gasphasenepitaxie, die auf dem physikalischen Gasphasentransport von Gallium basiert, ist eine alternative Methode der Gasphasenepitaxie von GaN. Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit standen die Weiterentwicklung der Methode hinsichtlich der Verringerung der Kontamination und die Reduzierung der Versetzungsdichte in den GaN-Schichten. Dazu wurde eine neue Verdampfungszelle entwickelt und die komplexen, mehrstufigen Nukleations- und Wachstumsprozesse systematisch untersucht. Insgesamt wurden zu kommerziell verfügbaren GaN-Schichten vergleichbare Defektdichten erreicht. Zusätzlich wurde die Methode zur Abscheidung auf Saphir-Substraten mit einem Durchmesser von bis zu 2 Zoll aufskaliert.

Les travaux presentes dans ce memoire concernent l'etude de l'amplification parametrique en regime femtoseconde. Ils visent surtout son application au developpement de sources femtosecondes accordables dans le visible. Ils touchent egalement a l'utilisation d'un amplificateur parametrique optique en tant que porte ultrarapide amplificatrice pour realiser de l'imagerie en milieu diffusant. Lors de cette etude, nous avons construit une chaine laser femtoseconde basee sur des cristaux de saphir dope au titane. Cette chaine produisait des impulsions a 780 nm de 100 fs de duree et de plus de 1 mj d'energie a un taux de repetition de 20 hz. Elle nous a ainsi permis d'effectuer des etudes sur l'emission conique qui accompagne la generation d'un continuum de lumiere blanche en milieu solide. Une analyse de nos observations experimentales dans le contexte de theories physiques connues telles la generation raman, le melange a quatre ondes et l'effet cerenkov nous a amenes a conclure qu'aucune theorie ne permet actuellement de decrire ce phenomene. Nous avons ensuite construit un amplificateur parametrique optique afin de realiser une source coherente femtoseconde accordable dans le visible. Cette source delivre des impulsions subpicosecondes de plus de 4j et accordables de 470 nm a 700 nm. Nous avons compare ses performances a celles d'un amplificateur parametrique injecte par un continuum spectral. Cette deuxieme source avait l'avantage de produire des impulsions plus courtes (200 fs). En revanche, l'energie de ces impulsions etait moins elevee (1 j), moins stable, et leurs profils spatiaux etaient moins beaux. Enfin, en se servant d'un amplificateur parametrique, nous avons reussi a detecter une mire a travers 20 libres parcours moyens d'une solution aqueuse de microspheres de latex avec une resolution spatiale de l'ordre de 200 m. Nous avons ainsi demontre la possibilite d'utiliser l'amplification parametrique pour realiser de l'imagerie en milieu diffusant.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Meßanordnung zum Nachweis der Elektronen-Spin-Resonanz durch Beobachtung der Lumineszenz aufgebaut. Diese Methode ist unter dem Namen Optisch Detektierte Magnetische Resonanz (ODMR) bekannt. Sie erlaubt es, die Lumineszenzeigenschaften mit der aus der Spin-Resonanz gewonnenen atomistischen Strukturinformation zu verknüpfen. Mit der ODMR-Anlage wurden Untersuchungen an zwei unterschiedlich dotierten Korund-Kristallen, Rubin (Al2O3:Cr) und Saphir (Al2O3:Ti), durchgeführt. Anhand der Literaturdaten für Rubin wurde die neu aufgebaute Anlage getestet und geeicht. Die Messungen an Saphir dienten zur Klärung der bisher kontrovers diskutierten Struktur von blau emittierenden Lumineszenzzentren. Bei einer UV-Anregung entsteht im Saphir neben der schon bekannteninfraroten Ti3+-Emission eine breite blau-grüne Emission, die aus zwei überlappenden Teilbanden besteht. Die eine hat das Maximum bei ca. 410 nm ("blaue Bande") und die andere bei 480 nm ("grüne Bande"). Die Anregung beider Lumineszenzbanden findet bei 250 nm und 270 nm bzw. 270 nm statt. Um diese blau-grüne Lumineszenz zu erklären, sind unterschiedliche Modelle vorgeschlagen worden. So wurde die Lumineszenz F+-Zentren (ein Elektron in einer Sauerstoffleerstelle) oder Ti-Zentren zugeordnet. Im Falle der Ti-Zentren wurden alternativ Kristallfeldübergänge von Ti3+-Ionen und Charge-Transfer-Übergänge von Ti4+-Ionen mit der Lumineszenz in Verbindung gebracht. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten ODMR-Messungenergaben als Ursache der blau-grünen Lumineszenz zwei einander ähnliche Triplett-Systeme T1 und T2. Diese konnten durch folgende ESR-Parameter beschrieben werden: T1: gx,y,z=2.00, 1.96, 1.94 (g-Tensor), D=0.306 cm-1 (axialer Anteil der Kristallfeldaufspaltung), E=0.034 cm-1 (orthorhombischer Anteil der Kristallfeldaufspaltung); T2: gx,y,z=1.99, 1.99, 1.99, D=0.342 cm-1, E=0.054 cm-1. Das Zentrum T1 konnte der blauen und T2 der grünen Lumineszenz-Teilbande zugeordnet werden. Da die Lumineszenz-Zentren angeregte Tripletts sind, können Dublett-Systeme wie die F+-Zentren oder Ti3+-Ionenausgeschlossen werden. Dagegen sind die Beobachtungen verträglich mit dem Ti4+-O2--Charge-Transfer-Modell (mit Ti3+-O- im angeregten Zustand). Beide Lumineszenzbanden stammen demzufolge aus der Rekombination des Elektron-Loch-Paares im Ti3+-O--Zentrum des Typs T1 oder T2, das durch den Charge-Transfer-Übergang eines Elektrons vom Sauerstoff zum Ti4+ entsteht. Elektron und Loch koppeln zu einem Triplett-System. Das Loch ist bei beiden Zentren an einem dem Titanion benachbarten Sauerstoffion lokalisiert. Dies wird daraus geschlossen, daß die z-Achse der ESR-Tensoren ungefähr parallel zur Richtung der Al-O-Bindungen im ungestörten Kristallgitter liegt. Für beide Zentren ist das Verhältnis aus axialem undorthorhombischem Kristallfeldparameter |D/E| ungefähr gleich. Dies läßt auf eine ähnliche Struktur der Umgebung schließen, was das Bild unterstützt, daß beide Zentren fast identisch aufgebaut sind. Der axiale Kristallfeldanteil (Parameter D) von T2 ist etwas größer als der von T1. Dies kann durch einen kleineren Abstand von Elektron und Loch, d. h. von Ti3+ und O- erklärt werden, da die Kopplung zwischen den Spins dann stärker sein wird. In ungestörtem Al2O3 weisen drei der sechs einem Al-Ion benachbarten Sauerstoffionen einen kleineren Abstand auf als die anderen drei Ionen. Die drei Sauerstoffionen mit gleichem Abstand bilden jeweils Dreiecke, wobei das mit dem kleineren Abstand eine größere Seitenlänge aufweist. Es besteht nun die Möglichkeit, daß die beiden Zentren T1 und T2 sich lediglich darin unterscheiden, daß das Loch einmal auf einem Ion des kleinen und einmal auf einem des großen Dreiecks eingefangen ist. Wegen der Größe von D wäre T1 dann dem kleinen und T2 dem großen Dreieck zuzuordnen. Auch die beobachteten Hauptachsenrichtungen der ESR-Tensoren sind mit dieser Zuordnung verträglich. Im angeregten Zustand befindet sich das Elektron auf dem Titanion imgleichen Zustand wie das in dem Grundzustand des Ti3+-Ions. Der große Unterschied zwischen den in der ESR des Grundzustands gemessenen g-Werten (gparallel=1.067, gperp<0.1, Kask et al., 1964) und dem hier gewonnenen fast isotropen g-Faktor (g=2) kann durch die sogenannte Auslöschung des Bahndrehimpulses erklärt werden, die bei niedrigsymmetrischem System wie Ti3+-O- auftritt.

The Antimatter Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy (AEGIS) at the European Organization for Nuclear Research (CERN) is an experiment investigating the influence of earth’s gravitational force upon antimatter. To perform precise measurements the antimatter needs to be cooled to a temperature of 100 mK. This will be done in a Penning trap, formed by several electrodes, which are charged with several kV and have to be individually electrically insulated. The trap is thermally linked to a mixing chamber of a 3He-4He dilution refrigerator. Two link designs are examined, the Rod design and the Sandwich design. The Rod design electrically connects a single electrode with a heat exchanger, immersed in the helium of the mixing chamber, by a copper pin. An alumina ring and the helium electrically insulate the Rod design. The Sandwich uses an electrically insulating sapphire plate sandwiched between the electrode and the mixing chamber. Indium layers on the sapphire plate are applied to improve the thermal contact. Four differently prepared test Sandwiches are investigated. They differ in the sapphire surface roughness and in the application method of the indium layers. Measurements with static and sinusoidal heat loads are performed to uncover the behavior of the thermal boundary resistances. The thermal total resistance of the best Sandwich shows a temperature dependency of T-2,64 and is significantly lower, with roughly 30 cm2K4/W at 50 mK, than experimental data found in the literature. The estimated thermal boundary resistance between indium and sapphire agrees very well with the value of the acoustic mismatch theory at low temperatures. In both designs, homemade heat exchangers are integrated to transfer the heat to the cold helium. These heat exchangers are based on sintered structures to increase the heat transferring surface and to overcome the significant influence of the thermal resistance (Kapitza resistance). The heat exchangers are optimized concerning the adherence of the sinter to the substrate and its sinter height, e.g. its thermal penetration length. Ruthenium oxide metallic resistors (RuO2) are used as temperature sensors for the investigations. They consist of various materials, which affect the reproducibility. The sensor conditioning and the resulting good reproducibility is discussed as well.

The Antimatter Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy (AEGIS) at the European Organization for Nuclear Research (CERN) is an experiment investigating the influence of earth’s gravitational force upon antimatter. To perform precise measurements the antimatter needs to be cooled to a temperature of 100 mK. This will be done in a Penning trap, formed by several electrodes, which are charged with several kV and have to be individually electrically insulated. The trap is thermally linked to a mixing chamber of a 3He-4He dilution refrigerator. Two link designs are examined, the Rod design and the Sandwich design. The Rod design electrically connects a single electrode with a heat exchanger, immersed in the helium of the mixing chamber, by a copper pin. An alumina ring and the helium electrically insulate the Rod design. The Sandwich uses an electrically insulating sapphire plate sandwiched between the electrode and the mixing chamber. Indium layers on the sapphire plate are applied to improve the thermal contact. Four differently prepared test Sandwiches are investigated. They differ in the sapphire surface roughness and in the application method of the indium layers. Measurements with static and sinusoidal heat loads are performed to uncover the behavior of the thermal boundary resistances. The thermal total resistance of the best Sandwich shows a temperature dependency of T-2,64 and is significantly lower, with roughly 30 cm2K4/W at 50 mK, than experimental data found in the literature. The estimated thermal boundary resistance between indium and sapphire agrees very well with the value of the acoustic mismatch theory at low temperatures. In both designs, homemade heat exchangers are integrated to transfer the heat to the cold helium. These heat exchangers are based on sintered structures to increase the heat transferring surface and to overcome the significant influence of the thermal resistance (Kapitza resistance). The heat exchangers are optimized concerning the adherence of the sinter to the substrate and its sinter height, e.g. its thermal penetration length. Ruthenium oxide metallic resistors (RuO2) are used as temperature sensors for the investigations. They consist of various materials, which affect the reproducibility. The sensor conditioning and the resulting good reproducibility is discussed as well.