Techn. Universiẗat, Diss., 2003--Berlin.

Verschiedene Typen von Dnnschichtsystemen, die aufgrund der starken Wirkung optischer Verlustmechanismen wie Absorption oder diffuser Streuung nur schwer der optischen Analyse mittels Spektralphotometrie zugnglich sind, werden in dieser Arbeit mittels einer einheitlichen Methode spektralphotometrisch analysiert. Dabei werden Schichtparameter wie der Spektralverlauf von Brechzahl und Absorptionskoeffizient, die Schichtdicke und ggf. weitere geometrische Schichtparameter wie der RMS-Wert der Oberflchenrauhigkeit aus Messungen des gerichteten Transmissions- und Reflexionsvermgens der Schichtsysteme ber den zu untersuchenden Wellenzahlbereich (NIR/VIS/UV) bestimmt. Zu den untersuchten Schichtsystemen gehren polykristalline Diamantschichten auf Silizium, die starke Streuverluste an der rauhen Diamantoberflche aufweisen, sowie organische Mehrschichtsysteme auf Glsern, die durch hohe Absorptionskoeffizienten sowie komplizierte Absorptionsverlufe gekennzeichnet sind. Als Hilfsmittel zur Bestimmung der Schichtparameter werden neuartige Modelle fr die Wirkung von rauhen Oberflchen auf Dnnschichtspektren, weiterentwickelte Gradientenmethoden zur spektralen Rckrechnung sowie vllig neuartige knstlich intelligente Systeme auf der Basis neuronaler Netze eingesetzt. Anhand unabhngiger Messungen an den Schichtsystemen wie Massendichtemessungen, SEM- Profilometrie, Ramanspektroskopie knnen die gefundenen Schichtparameter besttigt werden.

Die vorliegende Arbeit verallgemeinert die Methode der Wellenpaketpropagation fuer isolierte molekulare Systeme auf molekulare Systeme mit Umgebungswechselwirkung. Im Rahmen der Dichtematrixtheorie werden am Beispiel des linearen Absorptionskoeffizienten und des Raman-Streuquerschnitts Ausdruecke fuer stationaere optische Funktionen abgeleitet. Diese Ausdruecke lassen sich als Fouriertransformation einer durch Dichtematrixpropagation erhaltenen Groesse verstehen, deren Dynamik auch durch die Umgebung des molekularen Systems beeinflusst wird. Am Beispiel von drei Modellsystemen (OH-Streckschwingung von Wasser, NO in Ar-Matrizen, HCl in Ar-Matrizen) wird der lineare Absorptionskoeffizient im infraroten und ultravioletten Spektralbereich berechnet. Die Ergebnisse werden mit experimentellen Daten verglichen. Aus der numerisch ansruchsvollen drei-dimensionalen Behandlung des HCl in Ar werden zusaetzlich Schluesse ueber die Dynamik des H-Atoms bei der Photodissoziation gezogen. Der Ausdruck fuer den Raman-Streuquerschnitt wird an einem theoretischen Modellsystem untersucht. Insbesondere wird die Temperatur- und Feldstaerkeabhaengigkeit des Spektrums diskutiert. / The well-known wave paket propagation method is extended from isolated molecular systems to molekular systems interacting with a dissipative environment. In the framework of density matrix theory formulations of stationary optical properties (linear absorption and Raman scattering cross section) are found. Essentially these formulations contain the Fourier-transform of a term given by density matrix propagation which is influenced by the environment. For three examples (OH stretching vibration in liquid water, NO in Ar-matrices, HCl in Ar-matrices) the linear absorption coefficient is calculated in the infrared and ultraviolett spectral range. Comparisons with experimental data are given. For the case of HCl in Ar-matrices additional information concerning the dynamics of the H-atom during the photodissociation is given. The Raman scattering cross section is calculated for a theoretical model system. Especially temperature dependence and the influence of the electric field strength on the spectra is discussed.

Verschiedene Typen von Dnnschichtsystemen, die aufgrund der starken Wirkung optischer Verlustmechanismen wie Absorption oder diffuser Streuung nur schwer der optischen Analyse mittels Spektralphotometrie zugnglich sind, werden in dieser Arbeit mittels einer einheitlichen Methode spektralphotometrisch analysiert. Dabei werden Schichtparameter wie der Spektralverlauf von Brechzahl und Absorptionskoeffizient, die Schichtdicke und ggf. weitere geometrische Schichtparameter wie der RMS-Wert der Oberflchenrauhigkeit aus Messungen des gerichteten Transmissions- und Reflexionsvermgens der Schichtsysteme ber den zu untersuchenden Wellenzahlbereich (NIR/VIS/UV) bestimmt. Zu den untersuchten Schichtsystemen gehren polykristalline Diamantschichten auf Silizium, die starke Streuverluste an der rauhen Diamantoberflche aufweisen, sowie organische Mehrschichtsysteme auf Glsern, die durch hohe Absorptionskoeffizienten sowie komplizierte Absorptionsverlufe gekennzeichnet sind. Als Hilfsmittel zur Bestimmung der Schichtparameter werden neuartige Modelle fr die Wirkung von rauhen Oberflchen auf Dnnschichtspektren, weiterentwickelte Gradientenmethoden zur spektralen Rckrechnung sowie vllig neuartige knstlich intelligente Systeme auf der Basis neuronaler Netze eingesetzt. Anhand unabhngiger Messungen an den Schichtsystemen wie Massendichtemessungen, SEM- Profilometrie, Ramanspektroskopie knnen die gefundenen Schichtparameter besttigt werden.

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Durch neue Ansätze zur Charakterisierung molekularer und nanokristalliner Materialien spiegelt die vorliegende Arbeit die Synergie von linearer Optik über Ultrakurzzeitphysik zur nichtlinearen Optik wider. Angefangen mit der linearen diffusen Reflektanz (Remission) zur Bestimmung des spektralen Reflexionsvermögens von Pulverpartikeln, erlaubt die hier gezeigte alternative Herangehensweise (s. Kapitel 2) nicht nur ein vereinfachtes Messen der Remission zur Analyse von Materialzusammensetzungen, Verunreinigungen und Co-Dotierungen, sondern eröffnet zudem über Monte-Carlo Simulationen, kombiniert mit der Kubelka-Munk Theorie und der Mie Streuung, auch den Zugang zu dem ansonsten experimentell unzugänglichen Absorptionskoeffizienten von nicht-transluzenten Proben. Die präsentierten Mess- und Simulationsergebnisse an Pulvertabletten aus Rutil-Titandioxid (TiO2) und Cer-dotierten Yttrium Aluminium Granat (YAG:Ce3+) sind mit den bisherigen in der Literatur vorliegenden Ergebnissen konsistent oder zumindest vergleichbar. Auch lassen sich nach Modifikation der Kubelka-Munk Funktion die Bandkanten-Energien Eg der mikro- und nanokristallinen Pulverproben mittels so genannter Tauc Plots verifizieren. Basierend auf einer starken Temperatur- und Konzentrationsabhängigkeit lassen sich die Emissionsspektren der oben genannten YAG:Ce3+-Leuchtstoffe aufgrund von Überlappung oder Verschiebung der energetischen Grundniveaus 2F5/2 und 2F7/2 variieren (s. Kapitel 3). Während sich bei Tieftemperaturen um 19K die doppelbandige Natur der Leuchtstoffe zeigt, verbreitern sich die Emissionsbanden bei Raumtemperatur zu einer Einzelbande, womit eine spektral sehr breite Fluoreszenz einhergeht. Mathematische Entfaltungen dieser Spektren zeigen jeweils den prozentualen Beitrag der Relaxation aus dem untersten angeregten Zustand 5d1 in einen der beiden Grundzustände 2F5/2 und 2F7/2 und ebenso den Einfluss der Temperatur und Cer-Konzentration. Tatsächlich führen die experimentellen Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zu der Erkenntnis, dass eine der vier untersuchten YAG:Ce3+-Proben eine erhöhte Cer-Konzentration aufweisen muss. Anders als bei den schwach konzentrierten YAG:Ce3+-Proben ist die spektrale Doppelbande des stark konzentrierten Leuchtstoffs selbst bei 19K nur zu erahnen, während der Beitrag des 5d1 --> 2F7/2 Übergangs auf die Gesamtfluoreszenz retrograd zum 5d1 --> 2F5/2 Übergang mit steigender Temperatur sogar abnimmt. Im direkten Anschluss an die spektrale Vermessung der Proben folgen zeitaufgelöste Lebensdauermessungen zur Bestimmung der Nachleuchtdauern dieser Leuchtstoffe mittels Pikosekunden-Laserpulsen (ps-Pulse) (s. Kapitel 3.3). Auch hier stellen sich Unterschiede zwischen den genannten YAG:Ce3+-Proben heraus und untermauern erneut die Annahme unterschiedlicher Cer-Konzentrationen: Während die Nachleuchtdauer der niedrig konzentrierten Leuchtstoffe von der Temperatur nahezu unberührt bleibt, zeigt sich eine bemerkenswerte Temperaturabhängigkeit des 5d1 --> 2F5/2 Übergangs beim YAG:Ce3+ mit hohem Cer-Gehalt. Auf Basis sämtlicher experimenteller Erkenntnisse und einer ausgiebigen Literaturrecherche kann schließlich eine Fremddotierung der Leuchtstoff-Proben nahezu vollständig ausgeschlossen und ein Energieschema für die vorliegenden YAG:Ce3+-Leuchtstoffe mit den wichtigsten optischen Übergängen erstellt werden. In Hinblick auf potentielle holographische Applikationen wie der optischen Datenspeicherung oder Echtzeit-Holographie erweisen sich die in Polydimethylsiloxan eingebetteten photoschaltbaren Ruthenium-Sulfoxide aufgrund der äußerst geringen Beugungseffizienz von < 10−2 als nicht pragmatisch für die Praxis (s. Kapitel 4). Vergleichbare photoschaltbare Materialien, wie zum Beispiel Natriumnitrosylprussiat, erreichen hingegen Effizienzen von bis zu 100 %. Dennoch zeichnen sich die in Publikation 2 (s. Anhang A.2) vorgestellten Resultate an OSO-PDMS durch ihre äußerst hohe Qualität aus. Sowohl die dynamische Hologramm-Entstehung als auch die Rocking-Kurve folgen den physikalischen Theorien einwandfrei und lassen sich mit den bekannten mathematischen Anpassungen exakt wiedergeben, womit sich entsprechend intrinsische Größen ableiten lassen. Zudem beeindruckt der experimentelle Aufbau mit der präzisen Messung der oftmals nicht detektierbaren Nebenmaxima der gezeigten Rocking-Kurve sowie des Winkel-Multiplexings. Bemerkenswert ist außerdem aus physikalischer Sicht der immense Unterschied zwischen cw- und fs-Holographie. Hier deuten sich nichtlineare Effekte an, die zu der Erkenntnis führen, dass sich die bekannten Theorien mit cw-Lasern nicht ohne Weiteres deckungsgleich auf die Holographie mit ultrakurzen Laserpulsen anwenden lassen. Ein möglicher Erklärungsansatz ist in Kapitel 4.1 beschrieben. Einen praktischen Zweck zur Nutzung nichtlinearer Effekte erfüllt die vorgestellte Messmethode zur Unterscheidung polarer und nicht-polarer Materialien mittels intensiver fs- Puls-Anregung von sogenannten harmonischen (Upconversion-)Nanopartikeln (s. Kapitel 5). Denn anders als die zu Beginn behandelten Leuchtstoffe, weisen die harmonischen Nanopartikel eine starke Anti-Stokes Verschiebung durch Frequenzkonversion zweier oder dreier Photonen zu einem energiereicheren (kurzwelligen) Photon auf. Diese als SHG (second harmonic generation) und THG (third harmonic generation) bekannte Lichtemission wird spektral vermessen, wobei die zu Beginn der Arbeit beschriebenen linearen diffusen Reflektanzmessungen den zu erwartenden Spektralbereich ohne nennenswerte Absorption eingrenzen. Die eigens definierte Gütezahl fR, bestehend aus dem integrierten SHG- und THG-Emissionsspektrum einer Probe, kategorisiert dann die polare (fR > 1) oder nicht-polare (fR << 1) Natur des Materials.