In dieser Arbeit wird der Catastrophic Optical Damage (COD) zeitaufgelöst untersucht um die beteiligten physikalischen Mechanismen zu identifizieren. Der COD Prozess konnte zeitlich in drei Phasen unterteilt werden, die Alterung, der thermische Runaway (selbst verstärkende Rückkopplung) und das Sekundärschadenswachstum. Die erste Phase konnte durch eine neu eingeführte Art der beschleunigten Bauteilalterung auf den Nanosekunden-Bereich reduziert werden. Die Rolle des Laser-Lichtfelds als Energiequelle des COD-Prozesses wurde experimentell bestätigt. Die genutzten thermographischen Techniken erlaubten eine in-situ Verfolgung des Defektwachstums. Diese direkte Messung der Ausbreitung, die Modellierung des Wärmeflusses und eine kristallographische Materialanalyse zeigen, dass das Material, welches von der Defekt-Front passiert wurde, innerhalb von Nanosekunden zu substanziell tieferen Temperaturen zurückkehrt. Verschiedene experimentelle Ansätze bestätigen das Vorhandensein einer Temperatur im Bereich von 1200°C-1500°C an der Schadensfront während des gesamten Degradationsprozesses. Dabei hat sich gezeigt, dass selbst wenn keine Laseremission mehr vorliegt, die verstärkte spontane Emission ausreicht, um den fortschreitenden Degradationsprozessmit Energie zu versorgen. Für den Start des thermischen Runaway muss ein bestimmter Temperaturunterschied zwischen der späteren COD-Position und dem übrigen aktiven Lasermaterial erreicht werden. Die vorliegende Arbeit zeigt verschiedene Mechanismen auf, die zu einer solchen Situation führen können. Dabei spielen auch physikalische Eigenschaften der verwendeten Materialsysteme und Schichtstrukturen eine entscheidende Rolle. Ein neu im Rahmen dieser Arbeit entwickeltes Modell zur Beschreibung der räumlichen Schadensausbreitung nutzt diesen Umstand, um die Defektkinetik ex-post zu rekonstruieren. Dies ermöglicht das Aufzeigen von Schwachstellen im Bauelement. / The scope of this thesis is the time-resolved investigation of the catastrophic optical damage (COD) and the identification of the underlying physical mechanisms. The COD has been separated in three temporal phases: the aging, the thermal runaway (self-amplifying feedback mechanism), and the secondary defect growth. It was possible to reduce the first phase to a couple of nano-seconds by applying a new accelerated life test scheme. It was experimentally verified that the laser light is the primary energy source of COD. The applied thermographic technologies allowed an in-situ tracing of the defect growth. A fast thermo cycle during the passage of the defect front was confirmed by this direct measurement, a modeling of the heat flow, and a crystallographic material analysis. Different experimental setups indicate the presence of a temperature in the range of 1200°C-1500°C at the defect front, during the entire COD-degradation. Even if no lasing action is present anymore, the amplified spontaneous emission is sufficient to provide enough energy for further defect growth. In order to initiate the thermal runaway, a specific temperature difference is necessary between the COD-starting location and the remaining active laser material. This thesis provides an analysis of the mechanisms leading to such a situation. This kind of analysis was used to develop a new model of the geometrical defect growth. The ability to re-construct the defect dynamics based on ex-post analysis of the defect pattern allows for the identification of bottlenecks in the investigated device design leading to COD.

In dieser Arbeit werden zwei nichtlineare Phänomene untersucht, Multistabilität durch verzögerte Rückkopplung und Synchronisation von quasiperiodischen Oszillationen. Dies geschieht mit Hilfe von Halbleiterlasern und auf dem selben Chip wie der Laser integrierter ultrakurzer optischer Rückkopplung. Verzögerte Rückkopplung ist unter anderem die Ursache für das Phänomen der Faltung von Lasermoden, und damit für das Auftreten von mehreren möglichen Laserzuständen für die selben Parameter. Ein tristabiles Regime von Dauerstrichzuständen kann im Experiment für mehrere breite Parameterbereiche der Rückkopplung beobachtet werden. Sehr nahe der Laserschwelle wird einer der Laserzustände durch den stabilen ``aus''''-Zustand ersetzt. Theoretische Betrachtungen im Rahmen des paradigmatischen Lang-Kobayashi Models verzögerter Rückkopplung ermöglichen eine in sich konsistente Interpretation der experimentellen Ergebnisse. Neben der Beeinflussung des stationären Verhaltens eines Halbleiterlasers kann verzögerte Rückkopplung Instabilitäten in der Laseremission hervorrufen. Abhängig von Rückkoppelstärke und -phase werden zwei verschiedene Intensitätspulsationen des emittierten Lichtes beobachtet. Synchronisationsprozesse solcher Pulsationen wurden von mir in einem System von zwei verschiedenen gekoppelten Multisektionslasern untersucht. Periodische Selbstpulsationen von Laser 1 werden hierfür in Laser 2 injiziert, welcher sich in einem Regime quasiperiodischer Intentensitätspulsationen mit zwei fundamentalen Frequenzen befindet. Das Experiment zeigt eine neue Art von Übergang zu synchronem Verhalten, welche kürzlich mit Hilfe von gekoppelten generischen Phasen- und van der Pol Oszillatormodellen aufgedeckt wurde. Desweiteren konnten bislang unerforschte Prozesse des Kohärenzübertrags auch zu nichtsynchronisierten Oszillationen beobachtet werden. / In this work two nonlinear phenomena are investigated, multistability due to delayed feedback and synchronization of quasiperiodic oscillations. The experimental devices are semiconductor lasers with ultra-short optical feedback, which is integrated on the same chip as the laser. Delayed feedback causes the folding of lasing modes, leading to hysteresis effects and even the coexistence of several laser states for the same parameters. A regime of tristability of continuous-wave (cw) states is found for multiple ranges of applied currents. Very close to threshold, one of the lasing states may be replaced by the stable ``off''''-state. Theoretical investigations in the framework of the paradigmatic Lang-Kobayashi model provide a consistent understanding of the experimental findings. Besides modifying the stationary behavior of a semiconductor laser, delayed feedback can cause instabilities of the laser output. Depending on strength and phase of the feedback, two types of self-sustaining pulsations of the emitted light intensity are found in our devices. Synchronization processes of such pulsations are studied in a system of two coupled multisection lasers. Periodic self-pulsations of laser 1 are injected into laser 2, which is operating in a regime with two-frequency quasiperiodic self-pulsations. The experimental system demonstrates the new type of transitions to synchrony between three frequencies which has been recently revealed using generic coupled phase and van der Pol oscillator models. Moreover, carefully determining the coherence of the noisy oscillations, so far unexplored processes of coherence transfer to nonsynchronized oscillations are revealed.

Diese Arbeit ist der theoretische Untersuchung nichtlinearer optischer Prozesse in metall-dielektrischen Medien gewidmet, wobei Möglichkeiten zur Ausnutzung der erhöhten nichtlinearen Koeffizienten und der Feldüberhöhung durch metallische Nanoteilchen untersucht wurden. Die wichtigsten Ergebnisse beziehen sich auf eine Untersuchung der zeitabhängigen sättigbaren Absorption in Gläsern, die mit metallischen Nanoteilchen dotiert sind, ihrer physikalischen Ursache sowie verschiedener Anwendungen in der nichtlinearen Optik. Zur Untersuchung der Zeitabhängigkeit der nichtlinearen Rückwirkung wird unter Verwendung des semi-klassischen Zwei-Temperatur-Modells eine zeitabhängige Gleichung für die nichtlineare dielektrische Funktion der Metalle hergeleitet. Die Ergebnisse zeigen, dass solche Gläser, sich als sehr effiziente sättigbare Absorber im Spektralbereich vom sichtbaren bis nahen IR eignen. Für kurzwellige Laser im blau/violetten Spektralbereich wird die Dynamik der Modenkopplung in Festkörper- und Halbleiter-Scheibenlaser untersucht. Weiterhin wird ein neuer Mechanismus für die Realisierung von langsamem Licht vorgeschlagen und im Detail untersucht, der in solchen dotierten Gläsern in einem Pump-Probe Regime infolge der sättigbaren Absorption in der Nähe der Plasmonresonanz realisierbar ist. Weiterhin untersuchten wir die Möglichkeit einer Femtosekunden Plasmon Impulserzeugung durch Modenkopplung eines Oberflächen Plasmonlasers mit einem Bragg Resonator, der aus einer dünnen Schicht aus Silber sowie einem sättigbaren Absorbers und einem Verstärker besteht. Im letzten Teil der Arbeit werden Ergebnisse zur Erzeugung hoher Harmonischer in Edelgasen in der Nähe einer metallischen fraktalen rauen Oberfläche untersucht. Die Berechnungen zeigen eine Reduzierung der geforderten Intensität um drei Größenordnungen und eine um zwei Größenordnungen erhöhte Effizienz gegenüber der bisher experimentell realisierten HHG in der Nähe von metallischen "bow-tie"Nanostrukturen. / This work reports results of a theoretical study of nonlinear optical processes in metal-dielectric nanocomposites used for the increase of the nonlinear coefficients and for plasmonic field enhancement. The main results include the study of the transient saturable nonlinearity in dielectric composites doped with metal nanoparticles, its physical mechanism as well its applications in nonlinear optics. For the study of the transient response, a time-depending equation for the dielectric function of the nanocomposite using the semi-classical two-temperature model is derived. By using this approach, we study the transient nonlinear characteristics of these materials in comparison with preceding experimental measurements. The results show that these materials behave as efficient saturable absorbers for passive mode-locking of lasers in the spectral range from the visible to near IR. We present results for the modelocked dynamics in short-wavelength solid-state and semiconductor disk lasers; in this spectral range other efficient saturable absorbers do not exist. We suggest a new mechanism for the realization of slow light phenomenon by using glasses doped with metal nanoparticles in a pump-probe regime near the plasmonic resonance. Furthermore, we study femtosecond plasmon generation by mode-locked surface plasmon polariton lasers with Bragg reflectors and metal-gain-absorber layered structures. In the final part of the thesis, we present results for high-order harmonic generation near a metallic fractal rough surface. The results show a possible reduction of the pump intensities by three orders of magnitudes and two orders of magnitudes higher efficiency compared with preceding experimental results by using bow-tie nanostructures.

Quantenkaskadenlaser (QCLs) wurden vor gerade zwanzig Jahren erfunden und haben seitdem stetig im weltweiten Markt der optoelektronischen Bauelemente für den Infrarot an Bedeutung gewonnen. Anwendungsbeispiele für aktuelle und potenzielle Einsatzgebiete von QCLs sind photoakustische Spektroskopie, Umweltüberwachung, Simulation von heißen Körpern, und optische Freiraumdatenübertragung. Rekord optische Leistungen von 14 W und Leistungseffizienzen zwischen 15-35 % wurden bei mittelinfraroten QCLs für Betriebstemperaturen zwischen 80-300 K erreicht. Die weitere Verbesserung dieser Eigenschaften hängt nicht nur von Aspekten wie Wärmemanagement und Chip-Packaging ab, sondern auch von Verbesserungen im Laserdesign zwecks der Reduzierung des Ladungsträgerleckstroms. Dennoch sind die verschiedenen Mechanismen und Komponenten des Leckstroms in Quantenkaskadenlasern leider noch nicht gründlich untersucht worden. Die vorliegende Arbeit liefert a realistische Beschreibung der Ladungsträgertransports in QCLs. Wir beschreiben u.a. Leckströme vom Quantentopf- in höhere Zustände und diskutieren elastische und inelastische Streumechanismen von Ladungsträgern bei mittelinfraroten Quantenkaskadenlasern. Wir illustrieren außerdem die Notwendigkeit zur Berücksichtigung der Elektronentemperatur für eine vollständigere Analyse der Ladungsträgertransporteigenschaften von Quantenkaskadenlasern. Methoden zur experimentellen Ermittlung des temperaturabhängigen Leckstroms in Quantenkaskadenlasern werden präsentiert. Unser Ansatz liefert eine Methode zur effektiven Analyse von der QCL-Leistung und Vereinfacht die Optimierung von QCL aktive Regionen. / Two decades after their invention in 1994, quantum-cascade lasers (QCLs) become increasingly important in the global infrared optoelectronics market. Photoacoustic spectroscopy, environment monitoring, hot object simulation, and free-space communication systems are selected examples of the current and potential applications of QCLs. Record optical powers as large as 14 W and power-conversion efficiencies ranging between 15-35 % have been reported for MIR QCLs for temperatures 80-300 K. Further improvement of these characteristics depends not only of aspects as heat management and chip-packaging, but also on improving the active-region design to reduce several leakage channels of charge carriers. However, mechanisms through which leakage of charge carriers affects QCLs performance have not been thoroughly researched. A better understanding of the several (non-radiative) scattering mechanisms involved in carrier transport in QCLs is needed to design new structures and optimize their performance. This work provides a realistic description of charge carriers transport in QCLs. We discuss in particular carrier leakage from QCL quantum-well confined states into higher and lower states. The two main mechanisms for non-radiative intersubband scattering in MIR QCLs are electron-longitudinal-optical-phonon scattering and interface roughness-induced scattering. We present methods for the experimental determination of the leakage current in QCLs at and above laser threshold, which allowed us to estimate the sheet distributions of conduction band states and better understand the impact of temperature activated leakage on QCLs characteristics. We found that even at temperatures low enough to neglect ELO scattering, carriers leakage due to IFR becomes significant for devices operating at high electron temperatures. Altogether, this approach offers a straightforward method to analyze and troubleshoot new QCL active region designs and optimize their performance.

Die vorliegende Arbeit untersucht die longitudinale Dynamik von Halbleiterlasern anhand eines Modells, in dem ein lineares hyperbolisches System partieller Differentialgleichungen mit gewöhnlichen Differentialgleichungen gekoppelt ist. Zunächst wird mit Hilfe der Theorie stark stetiger Halbgruppen die globale Existenz und Eindeutigkeit von Lösungen für das konkrete System gezeigt. Die anschließende Untersuchung des Langzeitverhaltens der Lösungen erfolgt in zwei Schritten. Zuerst wird ausgenutzt, dass Ladungsträger und optisches Feld sich auf unterschiedlichen Zeitskalen bewegen, um mit singulärer Störungstheorie invariante attrahierende Mannigfaltigkeiten niedriger Dimension zu finden. Der Fluss auf diesen Mannigfaltigkeiten kann näherungsweise durch Moden-Approximationen beschrieben werden. Deren Dimension und konkrete Gestalt ist von der Lage des Spektrums des linearen hyperbolischen Operators abhängig. Die zwei häufigsten Situationen werden dann einer ausführlichen numerischen und analytischen Bifurkationsanalyse unterzogen. Ausgehend von bekannten Resultaten für die Ein-Moden-Approximation, wird die Zwei-Moden-Approximation in dem speziellen Fall untersucht, dass die Phasendifferenz zwischen den beiden optischen Komponenten sehr schnell rotiert, so dass sie sich in erster Ordnung herausmittelt. Mit dem vereinfachten Modell können die Mechanismen verschiedener Phänomene, die bei der numerischen Simulation des kompletten Modells beobachtet wurden, erklärt werden. Darüber hinaus lässt sich die Existenz eines anderen stabilen Regimes voraussagen, das sich im gemittelten Modell als "bursting" darstellt. / We investigate the longitudinal dynamics of semiconductor lasers using a model which couples a linear hyperbolic system of partial differential equations with ordinary differential equations. We prove the global existence and uniqueness of solutions using the theory of strongly continuous semigroups. Subsequently, we analyse the long-time behavior of the solutions in two steps. First, we find attracting invariant manifolds of low dimension benefitting from the fact that the system is singularly perturbed, i. e., the optical and the electronic variables operate on different time-scales. The flow on these manifolds can be approximated by the so-called mode approximations. The dimension of these mode approximations depends on the number of critical eigenvalues of the linear hyperbolic operator. Next, we perform a detailed numerical and analytic bifurcation analysis for the two most common constellations. Starting from known results for the single-mode approximation, we investigate the two-mode approximation in the special case of a rapidly rotating phase difference between the two optical components. In this case, the first-order averaged model unveils the mechanisms for various phenomena observed in simulations of the complete system. Moreover, it predicts the existence of a more complex spatio-temporal behavior. In the scope of the averaged model, this is a bursting regime.

Seit ihrer Erfindung in 1994 haben sich Quantenkaskadenlaser (QCL) zu der Standard-Halbleiterlaserquelle im mittleren und weiten Infrarotspektrum entwickelt. Diese unipolaren Laser basieren auf der Populations-Inversion zwischen quantisierten sub-Bändern in Halbleiterheterostrukturen. Ein gutes theoretisches Modell ist essenziell für die Optimierung und weitere Entwicklung von neuen QCL Laserquellen. Eine einfache Methode, Elektronentransport in QCL zu beschreiben, stützt sich auf ein phänomenologisches Modell für die Streuraten zwischen elektronischen sub-Bändern. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines kompakten Ansatzes für Streuraten für die effiziente Vorhersage der temperaturabhängigen Charakteristika von QCLs im mittleren Infrarotspektrum. Die Arbeit beginnt mit einem kurzen Überblick über Halbleiterheterostrukturen und die wichtigsten Streumechanismen für Übergänge zwischen sub-Bändern in QCLs. Dabei sind elastische Übergänge sowie Phononenstreuung für die Übergangsraten zwischen verschiedenen sub-Bändern relevant. Außerdem werden die notwendigen Modellierungstechniken für Simulationsprozesse in QCLs mit einem selbst-konsistenten Streuraten-Modell vorgestellt. In dieser Arbeit wurde ein vereinfachtes Modell für vertikalen Elektronentransport zwischen sub-Bändern bei der Temperatur von Flüssigstickstoff entwickelt. Die Übergangsrate ist in diesem Ansatz das Produkt des Überlappintegrals der quadrierten Moduli der einhüllenden Funktion und einem phänomenologischen Faktor, der von der Übergangsenergie abhängt. Der Übergangsfaktor wird für verschiedene Übergangsmechanismen einzeln hergeleitet, und eine Erweiterung des Modells auf einen breiten Temperaturbereich wird vorgestellt. Schließlich analysieren wir die sogenannte T0-Charakteristik für einige Designs der aktiven Region, die aus Rechnungen mit vorhandenen temperaturabhängigen Modellen und experimentellen Daten gewonnen wurden. / Since their invention in 1994, quantum cascade lasers (QCLs) have become the standard semiconductor laser source for the mid- and far-infrared spectral range. These unipolar devices are based on the population inversion between quantized subbands in biased semiconductor heterostructures. A useful theoretical model is essential for the optimization and further development of new QCL sources. A simple method for describing the electron transport in QCL is based on scattering rates between electron subbands. These can be described easiest using a phenomenological model with experimental or empirical parameters. The main goal of this work is development of compact description of scattering processes in the frame of scattering-rate approach for the reliable prediction of temperature dependent characteristics of mid-infrared quantum cascade lasers. We start this work with a brief overview of semiconductor heterostructures and main intersubband scattering mechanisms for quantum cascade lasers. The resulting transition rates from initial states to another subbands are described by phonons and elastic scattering. Additionally, necessary modeling techniques are considered for simulation processes in QCLs using self-consistent scattering-rate model. Based on original work we introduce a simplified model for vertical electron transport between separated subbands at liquid nitrogen temperatures. In this approach the transition rate is written as the product of the overlap integral for the squared moduli of the envelope functions and a phenomenological factor that depends on the transition energy. The approach is reviewed and extended for a broad temperature range. There, the transition factor is derived and written for different scattering mechanisms separately. Then we analyze “so-called” T0 characteristic for a number of active region designs received from the calculations by present temperature dependent model and the experimental data.

Bereits Galilei untersuchte, ob verschiedene frei fallende Körper im Schwerefeld der Erde gleich stark beschleunigt werden, die sogenannte Universalität des freien Falls. Die Genauigkeit der experimentellen Überprüfungen konnte seitdem beständig gesteigert werden. Einen neuen Ansatz, die Messgenauigkeit noch weiter zu verbessern, bilden quantenmechanische Messmethoden, die auf Materiewelleninterferometrie beruhen. Die dabei genutzten Apparaturen verwenden Laserstrahlung zur Kühlung, Manipulation und Detektion der Atome. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung des Lasersystems für ein neues Experiment, das erstmals Zwei-Spezies-Atominterferometrie (mit Rb & K) in Mikrogravitation demonstrieren soll. Ein Lasersystem, das sowohl die funktionalen Anforderungen als auch die aus dem Einsatz auf dem Katapult des Fallturms resultierenden Anforderung (Volumen < 44 l, Masse < 35 kg und voll funktionsfähig sofort nach einem Katapultstart mit Beschleunigungen von 30 g) erfüllt, wurde funktional konzipiert und mechanisch designt. Zur Demonstration wurde der Rubidium-Teil des Lasersystems funktional sowie mechanisch qualifiziert. Inzwischen wird er routinemäßig für Experimente am Fallturm eingesetzt. Für das Lasersystem wurden kompakte und robuste schmalbandigen Lasermodule entwickelt. Diese liefern bei einer Grundfläche der optischen Bank von nur 10 mm x 50 mm Ausgangsleistungen von bis zu 3,7 W. Am Arbeitspunkt (1 W Ausgangsleistung) besitzen die Strahlquellen Linienbreiten im Bereich von 100 kHz (Lorentz) bzw. 1 MHz (-3 dB, 10 µs). Zum Nachweis der spektralen Stabilität der Lasermodule wurde ein Messverfahrens zur Charakterisierung des Frequenzrauschens freilaufender Laser entwickelt. Dieses basiert auf einer Schwebungsmessung mit anschließender Analyse der Quadraturkomponenten des Signals im Zeitbereich. Durch den Einsatz geeigneter Filter erlaubt es die Unterdrückung der für Diodenlaser typischen Frequenzdrifts. / Galileo, already, investigated whether different free falling bodies in the gravitational field of the Earth are accelerated at the same rate, the so-called universality of the free fall. The accuracy of the experimental tests has been steadily increased ever since. A new approach to further increase the measurement accuracy is provided by quantum mechanical measurements based on matter wave interferometry. The apparatuses used for this purpose employ laser radiation for cooling, manipulation, and detection of the atoms. The aim of this thesis’ work was the development of the laser system for a new experiment intended to demonstrate two-species atom interferometry (utilizing Rb & K) in microgravity for the first time. A laser system, which fulfills the functional requirements as well as the requirements resulting from the deployment on the catapult of the drop tower (volume < 44 l, mass < 35 kg, and fully functional immediately after a catapult launch with accelerations of 30 g), has been functionally conceived and mechanically designed. For demonstration, the rubidium part of the laser system was functionally and mechanically qualified. By now, it is routinely used for experiments at the drop tower. For the laser system, compact and robust spectrally narrow laser modules have been developed. These provide an output power up to 3.7 W at a footprint of the optical bench of only 10 mm × 50 mm. At the operating point (1 W output power), the radiation sources exhibit linewidths in the range of 100 kHz (Lorentzian) and 1 MHz (−3 dB, 10 μs). To validate the spectral stability of the laser modules a measuring method for the characterization of the frequency noise of free-running lasers has been developed. This method is based on a beat note measurement with subsequent analysis of the quadrature components of the signal in the time domain. By utilizing appropriate filters, it allows for the suppression of the frequency drifts that are typical for diode lasers.

Der Quantenkaskadenlaser hat sich als die beste Technologie für das mittlere Infrarot erwiesen, da sich seine Emissionswellenläge durch die Änderung seiner Geometrie einstellen lässt. Das Ziel dieser Dissertation ist eine neue aktive Regionen für die Mid-InfrarotRegion über 10 µm zu analysieren und zu entwickeln. Diese Arbeit konzentriert sich in Kapitel 2 zunächst auf das Verständnis der wichtigsten Prozesse, die in der aktiven Region der langen Wellenlänge des Quantenkaskadenlasers auftreten. In diesem Kapitel werden die typischen Simulationen des aktiven Bereichs und die Simulationen von Intensitäts-Spannungskurven und Verstärkungskurven ausführlich erläutert. Das Kapitel 3 konzentriert sich auf das Design von Quantenkaskadenlasern. Die Hauptpunkte sind das Verständnis des Verstärkungsprozesses in einer aktiven Region sowie die verschiedenen Arten von aktiven Regionen. Schliesslich wird ein halbautomatisches Programm beschrieben, das es ermöglicht, aktive Bereiche zu entwerfen und dessen Nützlichkeit wird dargelegt. Kapitel 4 behandelt den technologischen Prozess des Quantenkaskadenlasers und beinhaltet die Erfahrungen. Kapitel 5 ist das Schlüsselkapitel dieser Arbeit. In diesem Kapitel werden mehrere Laser nach unterschiedlichen Designs entwickelt, die mit Hilfe des im Kapitel 3 beschriebenen Programms erhalten wurden. Diese Designs werden dann sorgfältig analysiert und verglichen, um die grundlegenden Mechanismen besser zu verstehen. Schliesslich werden diese Entwürfe mit dem Stand der Technik verglichen. Die letzten beiden Kapitel konzentrieren sich mehr auf die Verbesserung des einmal gewachsenen Quantenkaskadenlasers. Kapitel 6 zeigt die Widerstandsfähigkeit des Quantenkaskadenlasers beim Glühen und zeigt sogar eine Leistungssteigerung bei bestimmten Glühtemperaturen. Kapitel 7 das Konzept der Wellenlängenabstimmung von Quantenkaskadenlasern durch Hinzufügen eines externen Hohlraums mit einem wellenlängenselektiven Element für die Spektroskopie. / The Quantum Cascade Laser has proven to be the best technology for the mid-infrared due to its unique feature of engineering of its emission wavelength simply by changing its geometry. The goal of this PhD thesis is to analyse and design new active regions for the mid-infrared region above 10 µm. To this effect, this thesis focuses first on the understanding of the key processes occurring in the active region of long wavelength quantum cascade lasers during chapter 2. This chapter explains in details the typical simulations of active region and the simulations of intensity-voltage curves and gain curves. Chapter 3 focuses on the design of quantum cascade lasers. The main points are the understanding of the gain process in an active region as well as the different types of active regions to achieve gain. Finally, a semi-automatic program allowing to design active regions is described and its usefulness demonstrated. The next chapter, chapter 4 is here to treat the technological process of quantum cascade laser and to gather the experiences acquired over the length of this PhD in the laboratory. Chapter 5 is the key chapter in this thesis. In this chapter, several lasers are grown following one of the design obtained thanks to the program described in chapter 3. Those design are then carefully analysed and compared to understand better the mechanisms at plays. Finally, those designs are compared with state of the art designs. The last two chapters are more focus on improving the quantum cascade laser, once grown. Chapter 6 demonstrates the resilience of quantum cascade laser to annealing. Finally, chapter 7 illustrates the concept of wavelength tuning of quantum cascade lasers by adding an external cavity with a wavelength selective element .This chapter focuses on the development of a compact external cavity quantum cascade laser as well as its application for spectroscopy.

In dieser Arbeit werden einige Probleme im Zusammenhang mit der Erzeugung ultrakurzer Pulse in modengekoppelten Lasern unter Verwendung analytischer und numerischer Methoden theoretisch untersucht. Weiterhin werden einige Resultate über die Strahlung resonanter Medien, welche durch einen ultrakurzen Überlichtgeschwindigkeits-Lichtpuls angeregt werden, dargestellt. / In this thesis current problems related to the generation of short optical pulses in mode-locked lasers are considered in a theoretical context. We use numerical and analytical methods to study these problems. Additionally, the problem of resonant medium radiation excited by ultrashort light pulse propagating at superluminal velocity is investigated.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit optischen Untersuchungen von MBE-gewachsenen hexagonalen Gruppe-III-Nitridheterostrukturen. Dafür wird die Photolumineszenz von InGaN/GaN- und GaN/AlGaN-Mehrfachquantengrabenstrukturen umfangreich zeitintegriert und zeitaufgelöst studiert. Die Proben unterscheiden sich in den Dicken der Quantengräben und Barrieren (InGaN) bzw. in der kristallografischen Orientierung (AlGaN). Als Ergebnis der großen, für das Materialsystem charakteristischen, elektrostatischen Felder zeigen die konventionell [0001]-orientierten Heterostrukturen eine verringerte Übergangsenergie und längere Lebensdauern mit zunehmender Quantengrabenbreite und höherem Indiumgehalt in den Gräben. Der beobachtete Einfluss des Quantumconfined Stark-Effektes (QCSE) auf diese Größen kann auch durch Modellrechnungen quantitativ gezeigt werden. In der Arbeit wird erstmals eine umfangreiche optische Charakterisierung einer neuartigen [1-100]-orientierten GaN-Heterostruktur auf Gamma-LiAlO2 geboten. Zum Vergleich wird das Verhalten einer identisch aufgebauten, [0001]-orientierten Struktur auf SiC ebenfalls diskutiert. Die (1-100)-Probe ist in Wachstumsrichtung frei von elektrostatischen Feldern und unterscheidet sich damit deutlich von den herkömmlichen Nitridstrukturen mit [0001]-Orientierung, deren interne Felder im MV/cm-Bereich liegen. Die spektrale Lage der Photolumineszenz bei geringen Anregungsdichten bestätigt die Flachbandsituation in der Probe. Aufgrund des bei dieser Probe nicht auftretenden QCSE ist hier eine deutlich verkürzte Lebensdauer festzustellen. Entsprechend der Auswahlregeln für hexagonales GaN weist die [1-100]-orientierte Probe eine sehr starke Polarisation der Photolumineszenz bezogen auf die Lage der [0001]-Achse auf. Die geringe Abweichung des ermittelten Polarisationsgrades von der, für A-Exzitonen in Volumen-GaN zu erwartenden, totalen Polarisation kann durch das Konfinement in den Quantengräben erklärt werden. Ein Schwerpunkt der Arbeit ist die Untersuchung der Rekombinationsmechanismen der Proben in Abhängigkeit von der induzierten Ladungsträgerdichte. Diese wird in einem Bereich von sehr geringer Dichte bis über die Mottdichte variiert. Eine Abschirmung der elektrostatischen Felder mit zunehmender Ladungsträgerdichte wird festgestellt. Dabei kann bei einer InGaN/GaN-Probe mit 3.1 nm breiten Gräben gezeigt werden, dass neben den internen piezoelektrischen Feldern die in der Literatur diskutierte Lokalisation von Exzitonen an Stöchiometrieschwankungen des Quantengrabens entscheidend die Rekombinationsdynamik in der Probe beeinflusst. Dies spiegelt sich in einer Abhängigkeit der Quantengrabeneigenschaften von den Anfangsbedingungen des Abklingprozesses und damit einem nicht existierenden allgemein gültigen Zusammenhang zwischen der Lebensdauer und der Ladungsträgerdichte wider. Die zeitaufgelösten Lumineszenzspektren der InGaN/GaN-Strukturen zeigen als Folge der mit höheren Ladungsträgerdichten zunehmenden Abschirmung eine verringerte Lebensdauer durch die vergrößerte Überlappung von Elektron- und Lochwellenfunktionen. Aufgrund der wieder abnehmenden Abschirmung während des Rekombinationsprozesses verändert sich die Lebensdauer im Laufe der Zeit. Gleichzeitig kommt es zu einer Verringerung der Übergangsenergie des Lumineszenzmaximums durch den weniger abgeschirmten QCSE. Die zeitintegrierten Photolumineszenzspektren zeigen ebenfalls eine deutliche Abhängigkeit von der Anregungsdichte. Während bei der feldfreien (1-100)-Probe keine Kompensationseffekte erwartet werden, weisen die Resultate für die konventionellen Proben auf einen, die Ladungsträgerdichte wesentlich beeinflussenden Effekt hin. Die Abhängigkeit der Intensität der Photolumineszenz von der Ladungsträgerdichte deutet ab einer bestimmten Anregungsdichte auf einen zusätzlichen Prozess, welcher die Ladungsträgerdichte reduziert, sich aber nicht im Lumineszenzspektrum widerspiegelt. Als Erklärung dafür wird die Absorption von stimulierter Emission im Substrat oder in der Pufferschicht angenommen. Bei den InGaN-Proben schiebt die Übergangsenergie mit höheren Dichten zu größeren Energien und nähert sich bis 10e5 W/cm2 einem Sättigungswert an. Dieser Wert entspricht trotz Dichten oberhalb der Mottdichte noch nicht der Flachbandsituation bei vollständig kompensierten internen Feldern. Als Ursache dafür wird der genannte, bei hohen Ladungsträgerdichten einsetzende Konkurrenzprozess gesehen. Bei den GaN/AlGaN-Proben kann im untersuchten Bereich der Anregungsdichte keine spektrale Verschiebung im Photolumineszenzspektrum festgestellt werden. Zum ersten Mal werden experimentelle Untersuchungen zur stimulierten Emission einer [1-100]-orientierten GaN-Probe durchgeführt und das optische Gewinnspektrum analysiert. Die Messungen zeigen einen maximalen Nettogewinn von ca. 50 1/cm. Aus der rechnerischen Analyse der Modenausbreitung lässt sich dafür ein Materialgewinn für GaN(1-100) von 1.1x10e4 1/cm ableiten. Die Ergebnisse zeigen außerdem, dass die Rekombination eines Elektron-Loch-Plasmas der Mechanismus für die stimulierte Emission ist. Dies entspricht dem überwiegenden Teil der in der Literatur veröffentlichten Beobachtungen für [0001]-orientierte Nitridstrukturen. Ein direkter Vergleich mit der parallel untersuchten GaN/AlGaN(0001)-Probe ist aufgrund der starken Substratabsorption nicht möglich. Es zeigt sich, dass für [1-100]-orientierte GaN-Heterostrukturen gute Ausgangsbedingungen für die Realisierung von Laserdioden gegeben sind. Zu den untersuchten Heterostrukturen wird die Wellenführung in den Proben simuliert. Bei den auf SiC gewachsenen Schichten werden die sich ausbreitenden Moden wegen des deutlich höheren Brechungsindexes des Substrates vornehmlich dort geführt. Die Überlappung der Moden mit dem aktiven Schichtpaket ist äußerst gering. Es ist für die Proben auf SiC kein optischer Gewinn zu erwarten. Die [1-100]-orientierte GaN/AlGaN-Probe besitzt eine deutlich bessere Wellenführung, da das LiAlO2 einen vergleichsweise kleinen Brechungsindex besitzt. Es wird ein Zusammenhang zwischen experimentell ermitteltem optischen Gewinn und dem Materialgewinn gebildet und das Ergebnis mit Rechnungen aus der Literatur verglichen. Ein Vorschlag für eine optimierte Wellenführung in allen untersuchten Proben wird gegeben. / In this thesis, the optical properties of molecular beam epitaxy grown hexagonal group-III nitride heterostructures are studied. The photoluminescence (PL) characteristics of InGaN/GaN and GaN/AlGAN multiple quantum well structures are investigated by time-integrated and time-resolved measurements. The analyzed specimens differ in the width of the quantum wells and barriers (InGaN) and in the crystallographic orientation (AlGaN), respectively. As a result of the large characteristic electrostatic fields, conventional [0001]-oriented heterostructures show a reduced transistion energy and longer lifetimes with increasing well width and higher Indium content in the wells. The observed impact of the Quantum Confined Stark Effect (QCSE) on these quantities is quantitatively shown in model calculations. In this work, a first extensive optical characterization of a novel [1-100]-oriented GaN heterostructure grown on Gamma-LiAlO2 is presented. For comparison, an identically designed [0001]-oriented structure on SiC is discussed. The (1-100)-grown specimen is free of electrostatic fields along the growth direction and shows a significant different behavior than conventional [0001]-oriented nitrides with internal fields of several MV/cm. The existing flat band conditions are confirmed by the spectral position of the PL at low excitation densities. Due to the non-existing QCSE at this specimen an significantly reduced lifetime is observed. A strong polarization of the PL is observed for the [1-100]-oriented sample, following the selection rules for hexagonal GaN. The small deviation of the degree of polarization from unity, which is expected in bulk GaN, is attributed to the quantum confinement in the heterostructures. One main topic of this thesis is the analysis of the recombination mechanisms of the specimens depending on the induced carrier density. The carrier density is varied from very low upto densities above the mott density. A screening of the electrostatic fields is observed with increasing carrier density. It is shown, that an InGaN/GaN heterostructure with a well width of 3.1 nm not only is influenced by internal piezoelectric fields but also the localization of excitons at stoichiometric inhomogenities in the quantum well is playing an important role for the recombination dynamics of the structure. This can be seen in the dependence of the decay process on the starting conditions. No general correlation is existing between lifetime and carrier density. Time-resolved PL measurements on InGaN/GaN heterostructures show a reduced lifetime due to an increased overlap of the electron and hole wave functions as a result of the increased screening at increasing carrier densities. During the recombination process the screening decreases again and the lifetime is changed with time. Simultaneously the transistion energy of the PL maximum is reduced by the less screened QCSE. A distinct dependence of the time-integrated PL spectra on the excitation density was also found. While there are no compensation effects expected at the (1-100) structure, which is free of electrostatic fields, the results for the conventional specimens point to an effect which influences the carrier density essentially. The dependence of the PL intensity on the carrier density points to an additional process, which comes into play at a special excitation density. This process reduces the carrier density but is invisible in the PL spectra. As an explanation we assume, that light of stimulated emission is absorbed either in the substrate or in the buffer layer. The transistion energy of the InGaN structures increases with increasing excitation density and reaches a saturation energy at a density of 10e5 W/cm2. Although this density is larger than the mott density, the transistion energy is not equivalent with a transition energy at flat band conditions. The origin of the observed effect is assumed to be the rival process, mentioned above, which comes into play at high carrier densities. For the GaN/AlGaN heterostructures no spectral shift of the PL was observed within the variation of excitation density. For the very first time, the stimulated emission of an [1-100]-oriented GaN structure was analyzed. A maximum netto gain of 50 1/cm was observed. From calculations of the mode propagation, a material gain of 1.1x10e4 1/cm is derived for GaN(1-100). Additionally from the results follows that the recombination of an electron-hole-plasma is the mechanism of the stimulated emission. This is in accordance with most of the published observations for [0001]-oriented GaN heterostructures. A direct comparison of both, the [1-100]-oriented specimen and the GaN/AlGaN(0001) structure, which was investigated parallel, was not possible. The reason for that is the strong absorption of the SiC substrate of the latter mentioned structure. It is generally shown, that [1-100]-oriented GaN heterostructures offers good starting conditions to realize laser diodes. The wave guiding was simulated for all of the used specimens. At structures grown on SiC the propagating modes are mainly guided in the substrate due to the larger refractive index of SiC with respect to GaN. The overlap of the amplified mode and the active layer is very small. No optical gain is expected for these structures. The [1-100]-oriented GaN/AlGaN structure shows a significantly improved wave guiding, due to the small refractive index of LiAlO2 in comparison with GaN. A correlation between the experimentally observed optical gain and the material gain is formed and the results are compared with the literature. A suggestion for an optimized wave guiding in all investigated specimens is given.