Bis in die 50er Jahren wurden ausschließliche Röntgenröhren in der Röntgenspektroskopie benutzt. (Parratt, 1938). In den 50er Jahren wurden die ersten Synchrotrons gebaut und für die Spektroskopie im Röntgenbereich angewendet. (Blocker et al., 1950). Die auch noch heute verwendeten Techniken wurden zum ersten Mal 1948 (Elder et al. 1948) in der Literatur beschrieben. Doch es dauerte Jahrzehnte, bis mit den neu zur Verfügung stehenden Synchrotrons die statische Röngendiffraktometrie zur röntgenspektroskopischen Strukturaufklärung routinemäßig benutzt werden konnte. Diese Entwicklungen werden bis heute fortgeführt und ebneten den Weg für viele Anwendungen. Während dieser Zeit ist auch ein anderer Wissenschaftszweig entstanden, die Lasertechnik. Diese ist seit dieser Zeit auch enorm gewachsen, und jetzt fordert sie auch die Synchrotrons bei der zeitaufgelösten Röntgenspektroskopie heraus. Die Laserstrahlung war am Anfang kontinuierlich. Erst durch die späteren Entwicklungen konnte ein gepulster Betrieb realisiert werden. Mit der Zeit wurden die Laserpulse immer kürzer und die Pulsenergie ist immer mehr gewachsen. Die kurze Pulsdauer der Laser wird in so genannten Pump-Probe Messungen verwendet: damit können schnelle Änderungen, die von einem Pumppuls ausgelöst werden mit einem Probepuls verfolgt werden. Die Auflösung der Messung ist durch die Pulsdauer gegeben. Die Pulsdauer wurde in den letzten Jahrzehnten vom Nanosekunden- bis in den Femtosekundenbereich reduziert. Hier ergibt sich aber nicht etwa eine technologische Grenze sondern eine fundamentale. Die zurzeit kürzesten Laserpulse haben eine Dauer von einigen wenigen Femtosekunden und sind damit schon sehr nahe der Periodendauer einer optischen Schwingung, die ebenfalls 1 bis 2fs beträgt. Allerdings zeigt sich auch, dass mit den zur Verfügung stehenden Laserpulsen die Zeitauflösung ausreicht um fast alle Vorgängen zu beobachten. Nur ist die Interpretation manchmal sehr schwierig, wenn es gilt das gemessene Signal einer atomaren Bewegung zuzuordnen. Abhilfe schafft hier die Verwendung von Röntgenstrahlung, die hervorragend geeignet ist Strukturinformation direkt zu erhalten. Wenn die Strahlung gepulst ist kann damit auch die Dynamik der Struktur erfasst werden. Ein Erfolg versprechender Ansatz zur Erzeugung von Röntgenpulsen mit einer Dauer von einigen Femtosekunden ist die Konversion von ultrakurzen Laserpulsen in den Röntgenbereich. Heute dazu erfolgreich demonstrierte Techniken sind die Laser-Plasmaquellen oder die hoher Harmonische Erzeugung (HHG). Die Plasmaquellen erzeugen im keV Energiebereich Röntgenphotonen – aber nur mit einer Pulsdauer von einigen 100fs. HHG ist hingegen eine interessante Alternative, die Pulse mit einer Dauer im Attosekundenbereich erzeugen kann. Allerdings war der Spektralbereich bis vor kurzem auf einige 100eV beschränkt. Eine Ausweitung des Spektrums von HHG Strahlung in den keV Bereich macht die Quelle aber erst wirklich einsetzbar für Messungen an technisch und wissenschaftlich interessanten Systemen. Im Energiebereich des Wasserfensters (ca 300 bis 600eV) können biologische Prozesse mit einer Zeitauflösung im ps-fs Bereich verfolgt werden. Im höheren Energiebereich von ca. 700eV kann man die magnetischen Eigenschaften von Selten-Erdmetallen beobachten. Diese Arbeit ist der Entwicklung einer laserbasierten HH-Quelle und deren Anwendung in der zeitaufgelösten Spektroskopie gewidmet. Es sollte herausgefunden werden, welche Anforderungen werden an das Lasersystem in Bezug auf Pulsparameter gestellt, um damit Spektroskopie in einem Bereich bis zu 1keV zu machen. Auch sollte geklärt werden, welche spektroskopischen Methoden sind möglich und wo liegen ihre Grenzen. In dieser Arbeit wurde sehr viel Neuland betreten, sowohl auf dem Gebiet der Lasertechnik als auch auf der Entwicklung der HH Quelle. Darüber hinaus ist diese Arbeit die erste Arbeit die sich mit Anwendung von HH-Strahlung für zeitaufgelöste Röntgenabsorptionsspektroskopie befasst. Das zweite Kapitel befasst sich mit den Grundlagen der Röntgenspektroskopie. Bei der Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit Materie wird die elektronische Struktur, die Elektronenverteilungen der Atome oder Moleküle verändert: Man kann die Elektronen in das Valenzband oder in das Kontinuum anregen. Die in das Kontinuum anregten Elektronen können gleichzeitig mit den Nachbaratomen wechselwirken, und von diesen rückstreuen. Diese Wechselwirkung wird durch elektronische Struktur, die elektronische Verteilung der Atome und Moleküle beeinflusst. Diese Vorgänge verändern die Röntgenabsorption des Materials. Durch die Messung der Veränderung der Röntgenabsorption kann man auf die atomare Struktur, die atomare Abstände folgern. Diese Messungen wurden bisher mit Synchrotronstrahlung durchgeführt, deren Pulsdauer bisher nicht kürzer als einige ps war, und damit nicht den schnellsten Änderungen folgen konnte. Ein Lasersystem mit höherer Energie und kürzerer Pulsdauern ist der Schlüssel zu hochzeitaufgelösten Experimenten. Die Entwicklung eines solchen Lasersystems ist im dritten Kapitel beschrieben. Erster Teil des Kapitels erklärt die Probleme, die durch den Verstärkungsprozess auftreten. Die spektrale Einengung und der Energieverlust sind immer die am schwierigsten zu lösenden Probleme in einem Verstärkersystem. Wegen der nötigen zeitliche Pulsdehnung und der folgenden Pulskompression erleidet der Puls einen Energieverlust. Die nichtlinearen Effekte verursachen spektrale Einengung im Verstärkerkristall. Um diese Nachteile zu vermeiden dienen die unterschiedlichen Techniken, wie die Verwendung einer gasgefüllten Hohlfaser zur nichtlinearen spektralen Verbreiterung und unterschiedlicher Pulsformungstechniken (akustooptische Modulator, LCD,…). Der verbleibende Teil des Kapitels stellt diese Methoden, ihre Vorteilen und Nachteile dar. Abschließend sind die Erfolge bei der Entwicklung des Lasersystems vorgestellt: Nach allen Optimierungen wurden Pulse mit einer Energie von 3mJ und einer Dauer von 12fs realisiert. Die erste Verwendung des neuen Systems war die Erzeugung hoher Harmonischer mit konventioneller Technik. Diese Technik basiert auf einem Aufbau mit einem Gastarget in das die Laserpulse fokussiert werden. Das vierte Kapitel beschreibt die Theorie und Schwierigkeiten des Erzeugungsprozesses durch die Erklärung der grundlegenden mikroskopischen (Erzeugung) und die makroskopischen Effekte (Ausbreitungseffekte) im Gastarget. Das Problem der niederen Konversionseffizienz im hochenergetischen Bereich kann gelöst werden, wenn die neu entwickelte Technik, die als nichtadiabatische Phasenanpassung schon in der Literatur existiert hat, angewendet wird. Sie beruht auf einer starken Fokussierung von extrem kurzen Pulsen und ermöglicht Erzeugung von Röntgenphotonen mit Energien bis zu 3,5keV. Mit diesen schönen Erfolgen wurden die ersten statischen spektroskopischen Experimente durchgeführt. Die aufgenommenen Spektren zeigen schöne Absorptionskanten bei Titan, Kupfer, und Neon, Platin. Die Auswertungen dieser Spektren zeigen, dass es genügend Photonen bis 1keV gibt und ermöglichen so die Anwendung der so genannten EXAFS Technik. Im fünften Kapitel werden die gemessene Röntgenspektren und die mit der EXAFS Methode ermittelten atomaren Abständen von Silizium, Titan und Kupfer, dargestellt. Dieses Kapitel beschreibt ferner unsere ersten erfolgreichen Experimenten zur zeitaufgelöste Röntgenabsorptionsspektroskopie in der Nähe der Silizium L-Kante bei 100eV. Die Zeitauflösung, die mit Hilfe der Pump-Probe Technik erzielt werden konnte war besser als 20fs. Die Messungen wurden in einem weiten Energie – und Zeitbereichen durchgeführt: im Bereich von 0-100ps und 0-1ps, sowie von ca. 70eV bis 500eV. Die bestimmten Zeitkonstanten, stimmen mit in der Literatur angegebenen Werten für die unterschiedlichen Relaxationsprozessen sehr gut überein. / Until the 50s years, the X-ray tubes were used in the X-ray spectroscopy. The first synchrotrons appeared in the 50s years and it took several tens years, when they were applied for the static X-ray diffractrometry and the X-ray structure analysis became routine technique. These techniques are under development up to now for the broadened application areas. During this time, a new area of the physics appeared as e.g. the laser technique. They developed and bloomed meantime and now they challenge the synchrotrons to make more effort in the X-ray spectroscopy. The laser light was continuum at first, but later the pulse operation spread and the aim become to reach possible shortest pulse. The pulse mode makes possible to use the pump-probe technique. The probe pulse sans and tests the effect of the first-coming pump pulse. The resolution of the measurement is defined by the pulse duration of the pulses. This tented from the nanosecond to the femtosecond timescale. Now the metrology works close to the duration of one optical period. In this area, the scientist is not only by the technological rather by a fundamental border. By the application of the commercial pump-probe technique one can gather dynamic information usually in the IR wavelength scale. Near to the atomic scale, one can observe the structure of the material – and by the application of the X-ray pulses is possible to examine the processes, their development and evolutions deeply in the material, close to the atomic and molecular structure. The available X-ray techniques deliver X-ray pulses: the plasma sources can produce keV pulses in the few hundred fs regime. The slicing technique compressed the pulse duration of the synchrotrons down to few hundred fs also. The High Harmonic Generation (HHG) is the only existing technique for single attosecond pulse generation in the 100 eV regime. The development of the HHG forward to the keV energy opens the way for fast spectroscopic measurements in the water-window with fs pulses. The biology waits for a long time for direct observation of the fast organic processes in the fs regime. The 700 eV reaches the limit of the magnetic earth-metal spectroscopy. This work is devoted to the development and application of a laser based HH Source. The exact parameterisation and optimisation of the laser system is inevitable for the keV spectroscopy. It is clarified, which methods are acceptable and which works at their edges. This work describes the development of a laser system, which - application as an X-ray source - reached and overstepped the keV regime. This is the first work, which is devoted to the application of the HH radiation for time resolved absorption spectroscopy. The second chapter describes the bases of the X-ray spectroscopy. The interaction of the X-ray and material changes the electronic structure, the electron distribution of the atoms or molecules: the electrons can be excited from the valence band into the conduction band. The electrons, which are excited in the continuum, can interact with the neighbour atoms, from when they can backscatter. This interaction is affected by the electronic structure and the electronic distribution of the atom and molecules. The processes change the X-ray absorption of the materials. Through the measurements of these modifications can conclude to the atomic structure and atomic distances. Up top now were made these measurements with synchrotron radiation, which pulse duration was not shorter as ps. Therefore they could not observe the faster modifications. These experiments demand a laser system with high energy and short laser pulses. The third chapter describes the development of such a laser system, the appeared and solved problems. The non linear effects and the energy losses are always the hardest problems at an amplifier system. Because of the necessary pulse stretching and compression, the pulse suffers significant energy loss. The non-linear affects cause spectral narrowing in the amplifier crystal. These disadvantages can be compensated and corrected by the use of the pulse shaping techniques, like the acustooptic modulator, LCD. The end of the chapter describes results of the development: after optimisation all of the possible parameters were measured, the energy and the duration of the output pulse: 3 mJ at 12 fs. The first application of the system was the High Harmonic Generation. The conventional technique based on a gas target, in which the laser beam is focused strongly. The fourth chapter describes the theoretic possibilities and limits of the process: in the microscopic (HH generation) and the macroscopic (pulse propagation) metric. These drawbacks can be compensated by the non adiabatic self phase matching, which was already detailed in the literature. This technique based on the strongly focusing of the very short laser pulses into the gas target and its application made possible to generate X-ray photons up to 3.5 keV. With these pulses were carried out the static spectroscopic experiments. The recorded spectra shows nice absorption edges at the Titanium, Copper, Neon and Platinum. The number of the genereated X-ray photons was enough to make EXAFS measurements. The fifth chapter shows the measured spectra, the evaluated EXAFS spectra with the estimated atomic distances of the silicon, titanium and copper. The time resolution of the pump-probe measurements was less than 20 fs. It was realized in two regimes: from 0-100 ps and from 0-1ps. The determined time constants are in good agreement with the literature values.

Design und Implementierung überragender vertikaler Sendedioden sowie Tunnelkontakte auf GaAs-Basis. / Design and implementation of record vertical light emitting devices and tunnel junctions based on GaAs.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Typen von Halbleiterlasern mit verteilter Rückkopplung (DFB-Laser) entwickelt. Die Laser basieren auf Rippenwellenleitern und verfügen zusätzlich über ein dazu senkrecht orientiertes Metallgitter. Der evaneszente Teil der im Rippenwellenleiter geführten Lichtwelle überlappt mit dem Gitter. Durch diese periodische Variation des effektiven Brechungsindex wird die verteilte Rückkopplung gewährleistet, was eine longitudinal monomodige Laseremission zur Folge hat. Beiden Lasertypen ist gemeinsam, dass der Herstellungsprozess auf einem vom Materialsystem unabhängigen Konzept basiert. Diese Tatsache ist von besonderem Interesse, da so entsprechende Laser für unterschiedlichste Wellenlängenbereiche gefertigt werden können, ohne hierfür neue Herstellungsverfahren zu entwickeln. Den ersten Schwerpunkt der Arbeit bilden Untersuchungen zu sog. abstimmbaren Lasern, deren Emissionswellenlänge innerhalb eines relativ großen Bereichs quasikontinuierlich einstellbar ist. Der Abstimmmechanismus kann mit dem Vernier-Prinzip erklärt werden. Der Laser besteht hierbei aus zwei gekoppelten Segmenten, die jeweils über eine Reihe von Moden (Modenkamm) verfügen. Der Abstand der Moden innerhalb eines Segments ist konstant, wohingegen die Modenabstände der beiden Segmente leicht unterschiedlich sind. Die Emissionswellenlänge des Lasers ist bestimmt durch den Überlapp zweier Moden aus den beiden Segmenten, wobei die Modenkämme so ausgelegt sind, dass gleichzeitig maximal ein Modenpaar überlappt. Eine kleine relative Verschiebung der beiden Modenkämme führt zu einer vergleichsweise großen Verschiebung der Emissionswellenlänge auf Grund des veränderten Überlapps. Die Modenkämme wurden durch spezielle DFB-Gitter, sog. binary superimposed gratings (BSG), realisiert, die, anders als bei konventionellen DFB-Lasern, für mehrere Bragg-Wellenlängen konstruktive Interferenz zulassen und erstmalig bei DFB-Lasern eingesetzt wurden. BSGs zeichnen sich durch sehr gute optische Eigenschaften bei gleichzeitig einfacher Herstellung aus. Zum Abstimmen der Wellenlänge wurde der Brechungsindex des Lasers gezielt durch den Injektionsstrom bzw. die Bauteiltemperatur verändert. Im Rahmen dieser Arbeit konnten abstimmbare Laser auf unterschiedlichen Materialsystemen (InGaAs/GaAs, GaInNAs/GaAs, InGaAsP/InP) hergestellt werden. Der maximale diskrete Abstimmbereich beträgt 38 nm bzw. 8,9 THz und ist durch die Breite des Verstärkungsspektrums limitiert. Quasikontinuierlich konnte ein Abstimmbereich von 15 nm bzw. 3,9 THz erreicht werden. Die typische minimale Seitenmodenunterdrückung (SMSR) beträgt 30 bis 35 dB. Durch Hinzufügen eines dritten Segments ohne Gitter konnte die Ausgangsleistung unabhängig von der Wellenlänge konstant gehalten werden. Den zweiten Schwerpunkt der Arbeit bildet die Entwicklung von DFB-Laser-Arrays mit dem Ziel, longitudinal monomodige Laser mit hoher Ausgangsleistung zu erhalten. Die DFB-Laser-Arrays basieren auf dem oben beschriebenen Prinzip von DFB-Lasern mit lateralem Metallgitter und verfügen über mehrere Rippenwellenleiter, die im lateralen Abstand von wenigen Mikrometern angeordnet sind. Für große Abstände zwischen den einzelnen Lasern des Arrays (Elemente) emittieren diese, weitgehend unabhängig von einander, jeweils longitudinal monomodiges Licht (quasimonochromatische Emission). Die spektrale Breite beträgt hierbei typischerweise 50 bis 70 GHz. Für kleine Elementabstände koppeln die einzelnen Lichtwellen miteinander, was zu einer mit einem konventionellen DFB-Laser vergleichbaren Linienbreite führt. Während die ungekoppelten Arrays über ein gaußförmiges Fernfeld verfügen, ergibt sich für die gekoppelten Arrays ein Interferenzmuster, das stark von verschiedenen Laserparametern (wie z. B. dem Elementabstand) abhängt. Bei InGaAs/GaAs basierenden Arrays (Wellenlänge ca. 980 nm) ergibt sich für DFB-Laser-Arrays mit vier Elementen eine Ausgangsleistung von ca. 200 mW pro Facette, die durch die Wärmeabfuhr begrenzt wird. Trotz der starken thermischen Limitierung (die Laser waren nicht aufgebaut) konnte die 3,5-fache Ausgangsleistung eines Referenzlasers erzielt werden. Bei InGaSb/GaSb basierenden Arrays mit vier Elementen (Wellenlänge ca. 2,0 µm) konnte eine Ausgangsleistung von ca. 30 mW pro Facette erreicht werden, was dem 3,3-fachen eines Referenzlasers entspricht. Die Verwendung von DFB-Laser-Arrays führt folglich zu einer signifikanten Leistungssteigerung, die sich durch geeignete Maßnahmen (Facettenvergütung, Montage, Skalierung) noch weiter erhöhen ließe. / This thesis covers the development of two different types of semiconductor lasers with distributed feedback (DFB). The lasers are based on ridge waveguides and possess an additional metal grating that is oriented perpendicular to the ridge waveguide. The evanescent part of the guided light overlaps with the grating. Due to periodic modulation of the effective refractive index a distributed feedback is accomplished which leads to a longitudinal single mode laser emission. Both lasers have in common, that the manufacturing process is independent of the material system. This fact is of particular interest because one can easily fabricate lasers in different wavelength ranges without having to develop a new manufacturing process. The first part of the thesis covers investigations on tunable lasers. The emission wavelength can be tuned quasi continuous within a relatively large range. The tuning mechanism can be described by the Vernier effect. The laser consists of two coupled cavities, each having a series of well defined modes. The modes are equally spaced within a cavity, whereas the mode spacing between the two cavities is slightly different. The emission wavelength of the device is determined by the overlap of two modes from either cavity. By applying this concept, one can use a relatively small shift of the cavity modes to obtain a rather large shift of the emission wavelength of the laser. The mode spectra have been realized by using so called binary superimposed gratings (BSG). This allows constructive interference for several Bragg wavelengths. BSGs show excellent optical properties as well as an easy fabrication process and have been applied to DFB-lasers for the first time. The wavelength tuning is accomplished by a well directed way of varying the injection currents and the device temperature, respectively. In this thesis, tunable lasers have been demonstrated on a variety of material systems (InGaAs/GaAs, GaInNAs/GaAs, InGaAsP/InP). The maximum discrete tuning range is 38 nm and 8.9 THz, respectively and is limited by the width of the gain spectrum. The maximum quasi continuous tuning range is 15 nm and 3,9 THz, respectively. The typical minimum side mode suppression ratio (SMSR) is 30 to 35 dB. By adding a third segment without any grating, one can keep the output power at a constant level independent of the emission wavelength. The second part of this thesis covers the development of DFB laser arrays resulting in a laser source with high output power and small spectral width. The DFB laser arrays are based on the above described principle of a DFB laser with a lateral metal grating and consists of several parallel ridge waveguides with a lateral distance of a few microns. For a relatively large distance between two adjacent lasers (emitters) the lasers are independent, each emitting single mode light. The total spectral width is around 50 to 70 GHz. Regarding smaller distances between two emitters, light from adjacent lasers interacts which leads to a total spectral width comparable to a conventional DFB laser. Regarding an InGaAs/GaAs based DFB laser array (wavelength around 980 nm), an array with four emitters shows a maximum output power of around 200 mW. Despite the strong thermal limitation (the lasers were not mounted), this is 3.5 times the output power of a reference laser with only one emitter. Regarding the InGaSb/GaAs based DFB laser arrays with four emitters (wavelength around 2.0 µm) the output power is around 3.3 times as high as the output power of a reference device. This shows that the proposed concept of DFB laser arrays with lateral gratings is suitable to improve the output power of a DFB laser and can be further enhanced by means of facet coating, proper mounting and scaling.

In dieser Arbeit wurde die Dynamik spintragender Teilchen (Elektronen, Löcher, Exzitonen) in selbstorganisierten Cd(Mn)Se/ZnSe Quantenpunkten sowie leicht dotiertem GaAs untersucht. Die unterschiedlichen Materialgruppen boten die Möglichkeit verschiedene Einflüsse auf Spinzustände zu studieren. Die Injektion definierter Spinzustände in die Halbleiterstrukturen erfolgte ausschließlich auf optischem Weg. Ebenfalls optisch wurde auch die zeitliche Entwicklung der Spinzustände detektiert. Die Anwendung von zeitaufgelöster Photolumineszenzspektroskopie sowie zeitaufgelöster Kerr-Rotation, ermöglichte den Zugriff sowohl auf longitudinale wie auch transversale Spinrelaxationsprozesse. Desweiteren wurde eine Kopplung der Quantenpunkten über ihr Strahlungsfeld diskutiert. / In this thesis the dynamics of spin carrying particles like electrons, holes and excitons in self-organized Cd(Mn)Se/ZnSe quantum dots and lightly doped GaAs has been studied. The different materials offered the possibility to investigate various influences on spin states. The injection of defined spin states into the semiconductor structures was achieved exclusively by optical means. Likewise, the temporal evolution of the spin states was detected optically. The application of time resolved photoluminescence spectroscopy and time resolved Kerr rotation gave access to longitudinal as well as transverse spin relaxation processes. In addition a coupling of the quantum dots through their radiation field was discussed.

[...] Bei dem hier untersuchten multinären System CIGSe stellt sich ob seiner polykristallinen Struktur zudem die Frage nach der lateralen Homogenität der elektrischen Eigenschaften. Mit der verwendeten Meßmethode, einer photounterstützten Rastertunnelspektroskopie, können Inhomogenitäten in der Oberflächenphotospannung (SPV) und im Photoinduzierten Tunnelstrom (PITC) nachgewiesen werden. Die Messung von PITC und SPV ist dann schnell durchzuführen und damit für Reihenuntersuchungen geeignet, wenn Modulationsverfahren verwendet werden. Modulationen der Biasspannung und/oder der Beleuchtung wurden in der Tunnelspektroskopie bereits auf eine ganze Anzahl von Materialsystemen angewendet. Dabei auftretende, über die Kapazität zwischen Tunnelspitze und Probe einkoppelnde störende Signalbeiträge sind ein bekanntes Problem. Eine mögliche Lösung bietet die elektronische Kompensation durch eine entsprechende Schaltung. Wie in dieser Arbeit gezeigt wird, ist der Ansatz sehr gut geeignet, die durch Biasmodulation erzeugte Streukomponente zu unterdrücken. Wird dagegen die einfallende Beleuchtung moduliert, erfolgt die Kompensation nur unvollständig. Ein besonderes Problem bereitet dies, wenn beide Modulationen kombiniert werden. Der Unterschied zwischen beiden Modulationen liegt darin, daß sich das Spitze-Probe-System im Fall der Spannungsmodulation wie ein klassischer Kondensator verhält und das Streusignal daher unabhängig von der Art der Probe ist. Bei Lichtmodulation ist im Ersatzschaltbild dagegen die unter der Probenoberfläche befindliche Stromquelle zu berücksichtigen. Sie führt dazu, daß sich das Streusignal von Probe zu Probe, und sogar von einem Präparationszustand zum nächsten, deutlich unterscheidet. Daher ist es angebracht, das Streusignal separat zu messen und anschließend analytisch zu kompensieren. Wie aus der vorliegenden Arbeit hervorgeht, ist dabei die Abhängigkeit des Streusignals vom Spitze-Probe-Abstand unbedingt zu berücksichtigen. Nach der Etablierung und eingehenden Analyse des Verfahrens im ersten Teil folgt im zweiten Teil der Arbeit dessen Anwendung auf eine Reihe von unterschiedlichen CIGS-Proben. Dabei wird deutlich, daß die bereits angesprochenen Inhomogenitäten im PITC-Signal eine immanente Eigenschaft dieser (und vermutlich aller) polykristallinen Halbleitersysteme sind. Neben den lateralen Unterschieden in der Stromamplitude lassen sich auch Inhomogenitäten in der komplexen Phase des Photostroms nachweisen. Wie sich herausstellt, sind daraus aber wegen der dominierenden Admittanz der Tunnellücke keine Rückschlüsse auf die beteiligte Kapazität der RLZ zu ziehen. Dagegen ist es möglich, durch die Untersuchung einer größeren Zahl von Stellen auf einer Probe eine Statistik der Flächenhäufigkeit des PITC zu erstellen. Wird diese Verteilung durch eine exponentiell abfallende Häufigkeit beschrieben, weist dies auf eine übergroße Dichte an "schwachen" Dioden hin; bei einer kleinen Zahl schwacher Dioden zeigt die Verteilung ein deutliches Maximum bei höheren Photoströmen. Korngrenzen sind für die elektronischen Eigenschaften polykristalliner Systeme wichtig, ihre Struktur allerdings unbekannt. Aus dem Forschungsgebiet der ebenfalls polykristallinen CdS/CdTe-Solarzellen kommt die Vorstellung, daß die Korngrenzen bevorzugte Transportpfade der Ladungsträger darstellen; sie wird inzwischen auch für CIGS-Zellen diskutiert. Hunderte von untersuchten Probenstellen können diese Theorie jedoch nicht unterstützen. Nur in einer äußerst geringen Zahl von Fällen zeigen Korngrenzen einen deutlich höheren Photostrom im Vergleich zu den umgebenden Kornflächen. Desweiteren werden die abrupten lateralen Änderungen im PITC-Signal als nicht passivierte Korngrenzen interpretiert, die Transportbarrieren für die Minoritätsladungsträger bilden. Umgekehrt begünstigen passivierte Korngrenzen das Angleichen der elektronischen Eigenschaften benachbarter Körner. Verfolgt man die PITC-Werte über einen längeren Zeitraum hinweg, lassen sich metastabile Effekte beobachten. Das Abklingen des Photostroms wird durch den Einfang von Minoritätsladungsträgern in tiefen Störstellen erklärt. Vergleicht man die erhaltenen PITC-Werte mit dem makroskopischen Kurzschlußstrom der Zellen, kann man die erhoffte Korrelation nicht nachweisen. Wie sich herausstellt, haben die zur Vorbereitung für die STM-Messungen nötigen Präparationsschritte starke Auswirkung auf die Meßergebnisse. Aus dieser Sicht wäre eine in-situ-Messung wünschenswert. Daher schließen einige Gedanken hinsichtlich der Realisierung der Meßmethode zur in-situ-Qualitätskontrolle in der Solarzellenherstellung die Arbeit ab. / Solar cells will gain increasing relevance in energy industry within the next years. An enhancement in efficiency about tenths of percent is a great achievement for sophisticated silicon-based as well as for thin film solar cells. Therefore it is comprehensible that the improvement, hitherto mostly based on empirical methods, is increasingly backed by fundamental investigations. Moreover, in-situ process monitoring comes to the fore. In case of the investigated multinary CIGSe system with its polycrystalline structure, the question for the lateral homogeneity of its electronic properties arises. By means of the here presented method, a photo-assisted tunneling spectroscopy, such lateral inhomogeneities of the Surface Photo Voltage (SPV) and the Photo-Induced Tunneling Current (PITC) are to be detected. The investigation of PITC and SPV can be achieved swiftly, and therefore may qualify the technique for industrial usage, if modulation techniques are used. Modulations of the bias voltage and/or the illumination intensity have been applied to a greater number of materials in tunneling spectroscopy. Within these field, disturbing current contributions, coupled via the tip-sample-capacitance, is a known problem. Electronic compensation by using an appropriate compensating circuit is a possible solution. As will be shown in this work, such procedure is very adequate to compensate stray signals generated by bias modulation. On the contrary it is not sufficient to suppress disturbing currents caused by modulated illumination. A particular problem arises if both modulations are combined. Hence the two cases of modulation have to be distinguished. For bias modulation the tip-sample-system acts as a classical capacitor, which results in a stray signal independent of the nature of the investigated sample. When light modulation is concerned, the sub-surface current source has to be regarded within the equivalent circuit. This leads to a stray signal varying from one sample to the other; it even varies for different preparations of a single sample. Therefore it is advisable to detect the stray signal separately and subtract it analytically. As corroborated by this work, the dependence of the stray signals amplitude on the tip-sample-distance has to be taken into account. After the introduction and careful analysis of our technique in the first part the second part of the thesis deals with its application to a series of different CIGS samples. What becomes apparent is the aforementioned inhomogeneities in PITC signal to be an immanent property of these (and literally all) polycrystalline semiconductor systems. Besides lateral variations in the photocurrent amplitude, also inhomogeneities within its complex phase can be demonstrated. As becomes clear, it is impossible to draw conclusions about the participating capacity of the depletion region because of the dominating admittance of the tunneling junction. However, it is possible to gain a statistical distribution of the PITC by investigating a large number of positions on the sample. If the distribution is characterised by an exponential decay, this alludes to a supercritical density of weak diodes in the investigated absorber. For small numbers of weak diodes, the distribution exhibits a distinct maximum at higher photocurrents. Grain boundaries are of great importance for the electronic properties of polycrystalline systems, but their structure is unknown. From the field of CdS/CdTe solar cells originates the idea of such grain boundaries to be prominent conduction paths for charge carriers. In the meantime this idea is discussed in the CIGS community as well. With hundreds of investigated positions on various samples, this theory cannot be supported. Only in very few cases grain boundaries contribute an enhanced current with respect to the surrounding grain surfaces. In addition, we interpret abrupt lateral changes in PITC as non-passivated grain boundaries, forming transport barriers for minority charge carriers. Conversely, passivated grain boundaries promote the assimilation of electronic properties of neighbouring grains. Metastable effects are observed by tracking PITC values over a longer period of time. The decay of the photocurrent is explained by the trapping of minority charge carriers in deep defect states. Comparing PITC data with the macroscopical short-circuit current of a solar cells, a correlation between the results cannot be proofed. Detailed investigations reveal that essential preparation steps for STM performance strongly affect the results. Taking this into account, in-situ measurements are seem to be mandatory. Therefore some suggestions concerning the realisation of PITC in-situ quality control of solar cell fabrication will be outlined.

We consider the prospects for a neutrino factory measuring mixing angles, the CP violating phase and mass-squared differences by detecting wrong-charge muons arising from the chain $\mu^+\to\nu_e\to\nu_\mu\to\mu^-$ and the right-charge muons coming from the chain $\mu^+\to\bar{\nu}_\mu\to\bar{\nu}_\mu\to\mu^+$ (similar to $\mu^-$ chains), where $\nu_e\to\nu_\mu$ and $\bar{\nu}_\mu\to\bar{\nu}_\mu$ are neutrino oscillation channels through a long baseline. First, we study physics with near detectors and consider the treatment of systematic errors including cross section errors, flux errors, and background uncertainties. We illustrate for which measurements near detectors are required, discuss how many are needed, and what the role of the flux monitoring is. We demonstrate that near detectors are mandatory for the leading atmospheric parameter measurements if the neutrino factory has only one baseline, whereas systematic errors partially cancel if the neutrino factory complex includes the magic baseline. Second, we perform the baseline and energy optimization of the neutrino factory including the latest simulation results from the magnetized iron neutrino detector (MIND). We also consider the impact of $\tau$ decays, generated by appearance channels $\nu_\mu \rightarrow \nu_\tau$ and $\nu_e \rightarrow \nu_\tau$, on the discovery reaches of the mass orderings, the leptonic CP violation, and the non-zero $\theta_{13}$, which we find to be negligible for the considered detector. Third, we make a comparison of a high energy neutrino factory to a low energy neutrino factory and find that they are just two versions of the same experiment optimized for different regions of the parameter space. In addition, we briefly comment on whether it is useful to build the bi-magic baseline at the low energy neutrino factory. Finally, the effects of one additional massive sterile neutrino are discussed in the context of a combined short and long baseline setup. It is found that near detectors can provide the required sensitivity at the LSND-motivated $\Delta m_{41}^2$-range, while some sensitivity can also be obtained in the region of the atmospheric mass splitting introduced by the sterile neutrino from the long baselines. / Wir prüfen die Aussichten einer Neutrino Factory die Mischungswinkel, die CP-verletzende Phase und die Differenz der Massenquadrate mittels Detektion von Myonen mit falschem Vorzeichen, die bei $\mu^+\to\nu_e\to\nu_\mu\to\mu^-$ und $\mu^+\to\bar{\nu}_\mu\to\bar{\nu}_\mu\to\mu^+$ (vergleichbar mit $\mu^-$), durch $\nu_e\to\nu_\mu$ und $\bar{\nu}_\mu\to\bar{\nu}_\mu$ als Neutrinooszillationen entstehen, zu messen. Als Erstes untersuchen wir die Physik mit Nahdetektoren und überprüfen die Behandlung systematischer Fehler inklusive der Fehler auf dem Wechselwirkungsquerschnitt und auf dem Neutrinofluss sowie Unsicherheiten des experimentellen Signalhintergrundes. Wir erläutern für welche Messungen Nahdetektoren gebraucht werden, diskutieren wieviele dieser Detektoren benötigt werden und welche Rolle die Überwachung des Neutrinosflusses spielt. Wir demonstrieren, dass Nahdetektoren zwingend für Messungen der atmosphärischen Paramter notwendig sind, falls die Neutrino Factory nur eine sogenannte baseline'' besitzt, wohingegen sich die systematischen Fehler partiell aufheben wenn der Neutrino Factory Komplex die magic baseline'' enthält. Als Zweites führen wir die baseline- und Energieoptimierung für die Neutrino Factory inklusive der neusten Simulationsergebnisse für den Neutrinodetektor aus magnetisiertem Eisen (MIND) durch. Au{\ss}erdem betrachten wir den Einfluss von $\tau$-Zerfällen, die durch $\nu_\mu \to \nu_\tau$ oder $\nu_e \to \nu_\tau$ Übergänge erzeugt werden, auf die Massenhierachie, auf die CP-Verletzung und auf den Entdeckungsbereich von $\theta_{13}$, welchen wir im Falle des betrachteten Detektors für vernachlässigbar befinden. Als Drittes stellen wir einen Vergleich der Hochenergie Neutrino Factory mit der Niederenergie Neutrino Factory an und folgern, dass sie nur zwei Versionen des selben Experimentes sind, das jedoch für unterschiedliche Parameterbereiche optimiert wurde. Zusätzlich kommentieren wir kurz, ob es nützlich wäre die bi-magic baseline'' bei einer Niederenergie Neutrino Factory zu bauen. Schlie{\ss} werden die Effekte zusätzlichen sterilen'' Neutrinos im Kontext eines kombinierten Aufbaus mit kurzer und langer baseline diskutiert. Es zeigt sich, dass Nahdetektoren die benötigte Sensitivität in der LSND-motivierten $\Delta m^2_{41}$-Region liefern, während eine gewisse Sensitivität auch mittels der langen baseline im Bereich der atmosphärischen Massenaufspaltung erreicht werden kann, welche durch das sterile Neutrino induziert wurde.

Diffusionstensorbildgebung im Vergleich zu anderen Parametermethoden für die Infarktcharakterisierung Ziel dieses Teils der Arbeit war die Klärung der Frage, welches Potential verschiedene MR-Parametersequenzen bei der Charakterisierung eines myokardialen Infarkts sowohl im akuten als auch im chronischen Fall haben. Dazu wurde eine Studie mit akut und chronisch infarzierten Rattenherzen durchgeführt. Untersucht wurden die Parameter T1, T2 und T2* sowie die aus der Diffusionstensorbildgebung berechneten Parameter ADC, FA, cs, cp und cl . Es zeigte sich, dass es kein Analogon zum bei einer cerebralen Ischämie bekannten Mismatch-Konzept gibt. Weder im akuten noch im chronischen war Fall eine ausgewiesene Differenz im diagnostizierten Infarktareal zwischen verschiedenen Sequenzen feststellbar. Alles in allem eignen sich zur detaillierten Charakterisierung der Infarktnarbe am besten eine T2*- oder eine Diffusionstensorsequenz. Die T2*-Sequenz liefert optisch das aufschlussreichere Bild, die aufwendigere Diffusionstensorsequenz dagegen bietet aufgrund der vielfachen Darstellungsmöglichkeiten im Postprocessing ein Mehr an Information und zeigt dazu eine Veränderung der Narbe im Zeitverlauf. Oxygenierungsmessung am Mäuseherz in vivo Die Charakterisierung einer Infarktnarbe kann auch über die Darstellung morphologischer Strukturen hinaus erfolgen. Die Oxygenierung ist ein komplexer Parameter, der funktionelle Auskunft über die Vaskularisierung und Viabilität des Gewebes geben kann. Zugang zu diesem Parameter erhält man über T2*-Messungen, da der Parameter T2* sensitiv auf chemisch gebundenen Sauerstoff reagiert. Hier wurden der Einfluss von reiner Sauerstoffatmung im Gegensatz zu normaler Raumluftatmung auf die Oxygenierung bei gesunden und infarzierten Mäusen untersucht. Die Messungen wurden trotz der Schwierigkeiten, die durch die Bewegung durch Atmung und Herzschlag entstehen, in vivo bei 17,6 Tesla implementiert und durchgeführt. Die Auflösung war ausreichend, um auch nach Infarkt extrem ausgedünnte Myokardwände gut auflösen und charakterisieren zu können. Der Effekt auf das Oxygenierungslevel ist stark unterschiedlich zwischen normalen und infarzierten Herzen, woraus auf eine noch nicht weit fortgeschrittene Revaskularisierung der Narbe eine Woche nach Infarzierung geschlossen werden kann. Die Methode wurde darüber hinaus an einem 7,0 Tesla-Magneten zur Verwendung an Ratten implementiert und auf das im Gegensatz zur Maus veränderte Atmungsverhalten der Ratte angepasst. Zum einen kann dadurch der Einfluss des hohen Magnetfeldes auf die Oxygenierungsmessung untersucht werden, zum anderen ist das Herz als zu untersuchendes Objekt bei der Ratte größer. Diffusionswichtung mittels Hole-Burning Die in dieser Arbeit zur Charakterisierung des Herzens verwendete Diffusionsmethode kann im Grenzfall von kurzen T2-Relaxationszeiten an ihre Grenzen stoßen: Bei den verwendeten starken Magnetfeldern klingt das messbare Signal aufgrund der Relaxationszeit T2 oft sehr schnell ab. Daher wurde eine Methode entwickelt, die einen völlig neuen Ansatz zur diffusionsgewichteten Bildgebung verfolgt, bei dem die Informationen über die Diffusion unabhängig von der limitierenden T2-Zeit gewonnen werden können. Die sog. Hole-Burning-Diffusionssequenz verwendet in einem Vorexperiment lediglich die Longitudinalmagnetisierung zur Diffusionswichtung. Das Signal wird dann mit einer schnellen Auslesesequenz akquiriert. Bei der Präparation werden zunächst auf Subvoxel-Niveau Streifen "gebrannt", d.h. die Magnetisierung wird dort gesättigt. Bis zur nächsten Sättigung ist das Verhalten der Magnetisierung abhängig von der T1-Relaxation in diesem Bereich und vom Diffusionsverhalten. Durch rasches Wiederholen des selektiven Pulszugs wird schließlich eine Gleichgewichtsmagnetisierung erreicht, die von der Diffusionskonstanten D und der T1-Relaxationszeit abhängt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Abhängigkeiten verschiedener Sequenzparameter untersucht und diese mittels Simulationen optimiert. Außerdem wurde die Sequenz an einem Scanner implementiert und erste Experimente damit durchgeführt. Mit Hilfe von Simulationen konnten dazu Lookup-Tabellen generiert werden, mit denen in bestimmten Bereichen (insbesondere bei nicht zu kurzen T1-Relaxationszeiten) sowohl die Diffusionskonstante D als auch die T1-Relaxationszeit quantifiziert werden konnte. / Diffusion tensor imaging for the characterization of myocardial infarction in comparison to other methods The aim of this part of this work was to evaluate the potential of different MR sequences for the characterization of myocardial infarction in both the acute and chronic case. Therefore a study of acute as well as chronic infarcted rat hearts was performed, and the parameters T1, T2, T2* and the parameters ADC, FA, cs, cp and cl calculated from the diffusion tensor images were investigated. It turned out that there is no equivalent to the ischemia. Neither in the acute nor in the chronic case, a notably difference inside the affected area was detectable between different sequences. All in all, for detailed characterization of the infarct scar a T2* or a diffusion tensor sequence are most suitable. The T2* sequence provides a more informative visual image, whereas the more time-consuming diffusion tensor sequence provides a surplus of information due to the multiple display options in post-processing and shows the remodelling of the scar tissue over time. Oxygen level measurements in mouse hearts in vivo The characterization of an infarct scar can also go beyond the representation of morphological structure. The oxygenation is a complex parameter that can provide functional information of the vascularization and viability of the tissue. Access to this parameter is obtained by T2*-measurements, as the parameter T2* is sensitive to chemically bound oxygen. The influence of pure oxygen breathing in contrast to normal room air breathing on the oxygenation level in healthy and infarcted mice have been explored. Despite the difficulties caused by the movement due to respiration and heartbeat the measurements were implemented and carried out at 17.6 Tesla in vivo. The resolution was sufficient to resolve and investigate extremely thinned heart walls after infarction. The effect on the oxygenation level varies considerably between normal and infarcted hearts; that may be caused by a not yet advanced revascularization of the scar. In addition, the method was implemented to a 7.0 Tesla magnet for use in rats and adapted to the respiration of rats, which is different to the respiration of mice. The first reason was that the influence of the higher magnetic field on the measurement of the oxygenation level could be examined. Second, the heart as the examined object is larger in rats. Diffusion weighting using hole burning The MR diffusion method used in this work for the characterization of myocardial infarctions could be limited by extremely short T2 relaxation times. With the strong magnetic fields used here the measurable signal decays very fast due to the relaxation time T2. Therefore, a method for a completely new approach to diffusion-weighted imaging was developed, where the diffusion weighting can be obainted without being limited by the time constant T2. The so-called hole-burning diffusion sequence uses only the longitudinal magnetization for the diffusion weighting in a preliminary experiment. The signal is then acquired with a fast read-out sequence. During the preparation stripes will be "burned" into the magnetization on a subvoxel level, i.e. the magnetization is saturated there. Until the next saturation pulse the behavior of the magnetization depends first on the T1 relaxation time in this area and second on the diffusion. By rapidly repeating the selective pulse train a steady state magnetization dependend on the diffusion constant D and the T1 relaxation time is reached. In this work the dependencies between different sequence parameters were investigated and optimized using simulations. In addition, the sequence was implemented on a MR scanner and first experiments were carried out. With simulated lookup-tables we were able to quantify both the diffusion coefficient D and the T1 relaxation time in the case of not too short relaxation times T1.

Mit dem Ende des Jahres 2011 haben die beiden LHC-Experimente ATLAS und CMS jeweils ungef\"ahr 5 inverse Femtobarn an Daten bei einer Energie von 7 TeV aufgenommen. Die bisher analysierten Daten geben nur sehr vage Hinweise auf neue Physik an der TeV-Skala. Trotzdem erwartet man, dass sich an dieser Skala neue Physik zeigt, die bekannte Probleme des Standardmodells behebt. In den letzten Jahrzehnten wurden viele Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik und ihre Ph\"anomenologie dazu ausgearbeitet. Sobald sich neue Physik zeigt, stellt sich die Aufgabe, ihre Beschaffenheit und das zugrunde liegende Modell zu finden. Erste Hinweise k\"onnen nat\"urlich schon das Massenspektrum und die Quantenzahlen wie z.B. die elektrische und die Farbladung der neuen Teilchen liefern. \\ In zwei sehr bekannten und gut untersuchten Modellklassen, Supersymmetrie und Extradimensionen, haben neue Teilchen allerdings sehr \"ahnliche Eigenschaften an der erreichbaren Energieskala. Beide Modelle f\"uhren Partnerteilchen zu den bekannten Standardmodell-Teilchen ein, die, abgesehen von der Masse, sehr \"ahnliche Eigenschaften besitzen. Aus diesem Grund ist es n\"otig, weitere Kriterien zu ihrer Unterscheidung einzusetzen.\\ Ein hilfreicher Unterschied ergibt sich aus der Konstruktion beider Modelle: W\"ahrend in Modellen mit Extradimensionen die Partnerteilchen gleichen Spin wie die Standardmodell-Teichen haben, ist der Spin der Partnerteilchen in supersymmetrischen Modellen um 1/2 verschieden. Dieser Unterschied hat nun interessante Auswirkungen auf die jeweilige Ph\"anomenologie der Modelle.\\ Zum Beispiel kann man ausnutzen, dass die unterschiedlichen Spins die absoluten Wirkungsquerschnitte beeinflussen. Diese Methode setzt allerdings voraus, dass man die Massen und Kopplungsst\"arken sehr genau kennt. Eine weitere Herangehensweise nutzt aus, dass Winkelverteilungen vom Spin der involvierten Teilchen abh\"angen k\"onnen. Eine wichtige darauf basierende Methode stellt einen Zusammenhang zwischen der invariante-Masse-Verteilung $d\Gamma/d\sff$ zweier Zerfallsprodukte und dem Spin des intermedi\"aren Teilchens, \"uber welches der Zerfall abl\"auft, her.\\ In dieser Arbeit untersuchen wir als erstes den Einfluss von Operatoren h\"oherer Ordnung auf die Spinbestimmung in Zerfallsketten. Wir klassifizieren als erstes die relevanten Operatoren der Dimension 5 und 6. Wir berechnen die neuen Beitr\"age und diskutieren ihre Auswirkungen auf die Bestimmung von Kopplungen und Spin in diesen Zerf\"allen.\\ Im weiteren betrachten wir zwei Szenarien, die nicht die \"ublichen Zerfallsketten beinhalten:\\ In Dreik\"orperzerf\"allen kann die oben erw\"ahnte Methode nicht angewendet werden, da das intermedi\"are Teilchen nicht auf die Massenschale gehen kann. Solche off-shell'' Zerf\"alle k\"onnen in Szenarien wie split-Supersymmetrie oder split-Universal Extra Dimensions'' wichtig sein. Man kann hier die sogenannte Narrow width approximation'' nicht anwenden, welche eine notwendige Voraussetzung f\"ur einen einfachen Zusammenhang zwischen Spin und der invariante-Masse-Verteilung ist. Wir arbeiten eine Strategie f\"ur diese Dreik\"orperzerf\"alle aus, mittels derer man zwischen den unterschiedlichen Spinszenarien unterscheiden kann. Diese Strategie beruht darauf, dass man hier die differentielle Zerfallsbreite als globalen Phasenraumfaktor mal einem Polynom in der invarianten Masse $\sff$ schreiben kann. Die hierbei auftretenden Koeffizienten sind nur Funktionen der involvierten Massen und Kopplungen, und wir zeigen, wie beispielsweise ihre Wertebereiche und Vorzeichen dazu benutzt werden k\"onnen, um den zugrunde liegenden Zerfall zu bestimmen. Am Ende testen wir diese Strategie in einer Reihe von Monte Carlo-Simulationen, und diskutieren auch den Einfluss des off-shell'' Teilchens. Im letzten Teil betrachten wir eine Topologie mit sehr kurzen Zefallsketten, in der man den oben genannten Zusammenhang zwischen Spin und invarianter Masse ebenfalls nicht anwenden kann. Wir untersuchen eine bestimmte Variable, die zur Unterscheidung von Supersymmetrie und Universal Extra Dimensions'' eingef\"uhrt wurde. Dabei nutzt man aus, dass sich das Problem im Hochenergielimes auf die zugrunde liegenden Produktionsprozesse reduziert. Wir diskutieren, wie man diese Variable auch in Szenarien anwenden kann, in denen dieser Limes keine gute N\"aherung darstellt. Dazu betrachten wir die m\"oglichen Spinszenarien mit renormierbaren Kopplungen und untersuchen im Detail, wie gut diese Variable zwischen verschiedenen Spin-, Massen- und Kopplungsszenarien unterscheiden kann. Wir finden beispielsweise, dass das Spinszenario, welches den supersymmetrischen Fall beinhaltet, von den meisten anderen Spinszenarien gut unterscheidbar ist. / By the end of the year 2011, both the CMS and ATLAS experiments at the Large Hadron Collider have recorded around 5 inverse femtobarns of data at an energy of 7 TeV. There are only vague hints from the already analysed data towards new physics at the TeV scale. However, one knows that around this scale, new physics should show up so that theoretical issues of the standard model of particle physics can be cured. During the last decades, extensions to the standard model that are supposed to solve its problems have been constructed, and the corresponding phenomenology has been worked out. As soon as new physics is discovered, one has to deal with the problem of determining the nature of the underlying model. A first hint is of course given by the mass spectrum and quantum numbers such as electric and colour charges of the new particles. However, there are two popular model classes, supersymmetric models and extradimensional models, which can exhibit almost equal properties at the accessible energy range. Both introduce partners to the standard model particles with the same charges and thus one needs an extended discrimination method. From the origin of these partners arises a relevant difference: The partners constructed in extradimensional models have the same spin as their standard model partners while in Supersymmetry they differ by spin 1/2.\\ These different spins have an impact on the phenomenology of the two models. For example, one can exploit the fact that the total cross sections are affected, but this requires a very good knowledge of the couplings and masses involved. Another approach uses angular distributions depending on the particle spins. A prevailing method based on this idea uses the invariant mass distribution of the visible particles in decay chains. One can relate these distributions to the spin of the particle mediating the decay since it reflects itself in the highest power of the invariant mass $\sff$ of the adjacent particles. In this thesis we first study the influence of higher than dimension 4 operators on spin determination in such decay chains. We write down the relevant dimension 5 and 6 operators and calculate their contributions to the invariant mass distribution. We discuss how they affect the determination of spin and couplings.\\ We then address two scenarios which do not involve decay chains in the usual sense. In three body decays, the method pointed out above cannot be applied since it can only be used if the mediating particle is produced on-shell. For off-shell decays, which are important e.g. in split-Supersymmetry or split-Universal Extra Dimensions, the narrow width approximation cannot be made which previously led to the simple relation between spin and the highest power of $\sff$. We work out a strategy for these three body decays that can distinguish between the different spin scenarios. The method relies on the fact that the differential decay width $d\Gamma /d\sff$ can be rewritten in this limit as a global phase space function and a polynomial in $\sff$. The coefficients in this polynomial are functions of masses and couplings and we show that they have distinct signs or ratios depending on the spins involved in the decay. We test the strategy in a series of Monte Carlo studies and discuss the influence of the intermediate particle's mass. In the last part we consider a topology with very short decay chains. Again one cannot use the relation between spin and invariant mass. We investigate one variable that has been invented for the discrimination of Supersymmetry and Universal Extra Dimensions in the high energy limit which reduces the problem to the underlying production process. We show how this variable can also be used in new physics scenarios where the high energy limit is not a viable approximation. We include all possible spin scenarios with renormalizable interactions and study in detail the influence of the involved masses and couplings on the discrimination power of this variable. We find for example that the scenario containing the supersymmetric case is well distinguishable from most other spin scenarios.

Ziel der Arbeit war die Entwicklung von lateral gekoppelten DFB-Halbleiterlasern für Hochleistungsanwendungen. Besonderes Augenmerk war dabei auf hohe COD-Schwellen und schmale Fernfeldverteilungen gerichtet. Ausgehend von einem LOC-Design wurden Simulationsrechnungen durchgeführt und ein neues Epitaxiedesign mit einer 2.5 μm dicken LOC, in welcher die aktive Schicht asymmetrisch positioniert ist, entwickelt. Durch die asymmetrische Anordnung der aktiven Schicht kann die im Falle von lateral gekoppelten DFB-Lasern sehr kritische Kopplung der Lichtmode an das modenselektive Gitter gewährleistet werden. Zudem reichen die Ausläufer der Lichtmode in diesem Design weiter in den Wellenleiter hinab als dies bei herkömmlichen Wellenleitern der Fall ist, so dass sich die Fernfeldeigenschaften der Laser verbessern. Die Fernfeldverteilungen solcher Laser weisen Halbwertsbreiten von 14° in lateraler und nur 19° in transversaler Richtung auf. Im Vergleich mit Standardstrukturen konnte die Ausdehnung des transversalen Fernfeldes also um mehr als 50 % reduziert werden. Außerdem ergibt sich eine nahezu runde Abstrahlcharakteristik, was die Einkopplungseffizienz in optische Systeme wie Glasfasern oder Linsen signifikant verbessert. Unter Ausnutzung der entwickelten Epitaxiestruktur mit asymmetrischer LOC wurde ein neues Lateraldesign entwickelt. Es handelt sich hierbei um Wellenleiterstege welche im Bereich der Facetten eine Verjüngung aufweisen. Durch diese wird die optische Mode tief in die 2.5 μm dicke Wellenleiterschicht geführt, welche sie in transversaler Richtung komplett ausfüllt. Durch den größeren Abstand der Lasermode vom Wellenleitersteg ergibt sich zudem eine deutliche schwächere laterale Führung, so dass sich die Mode auch parallel zur aktiven Schicht weiter ausdehnt. Die Lichtmode breitet sich folglich über eine deutlich größere Fläche aus, als dies bei einem gleichbleibend breiten Wellenleitersteg der Fall ist. Die somit signifikant kleinere Leistungsdichte auf der Laserfacette ist gleichbedeutend mit einem Anstieg der COD-Schwelle der Laser der im Einzelnen von den jeweiligen Designparametern von Schicht- und Lateralstruktur abhängig ist. Außerdem bewirkt die in lateraler und transversaler Richtung deutlich schwächere Lokalisation der Mode eine weitere Abnahme der Halbwertsbreiten der Laserfernfelder. Durch die im Vergleich zu herkömmlichen Laserstrukturen schwächere Lokalisation der Lichtmode im Bereich der Facetten ergeben sich äußerst schmale Fernfelder. Ein 1800 μm langer Laser, dessen Stegbreite über 200 μm hinweg auf 0.4 μm verringert wurde, zeigt Halbwertsbreiten von 5.2° in lateraler und 13.0° in transversaler Richtung. Damit sind die Fernfelder dieser Laser bedeutend kleiner als die bislang vorgestellter Laserdioden mit LOC. Die Geometrie der Taperstrukturen bestimmt, wie vollständig sich die Mode in den unteren Wellenleiterbereich ausbreiten kann und nimmt damit Einfluss auf die Laserfernfelder. Im CW-Modus durchgeführte Messungen an Lasern mit Taperstrukturen zeigen maximale Ausgangsleistung von 200 mW bevor die Laser in thermisches Überrollen übergehen. Bei einer Ausgangsleistung von 185 mW beträgt das Seitenmodenunterdrückungsverhältnis 33 dB. Im gepulsten Modus (50 ns Pulsdauer, 1MHz Wiederholungsrate) betriebene Laser zeigen hohe COD-Schwellen von mehreren hundert bis hin zu 1600 mW, die eine deutliche Abhängigkeit von der Endbreite der Taperstrukturen zeigen: Mit abnehmender Taperbreite ergibt sich eine starke Zunahme der COD-Schwelle. An einem 1800 μm langen Laser mit 200 μm langen Taperstrukturen die eine Endbreite von 0.3 μm aufweisen konnte eine COD-Schwelle von 1.6 W nachgewiesen werden. Im Gegensatz zu anderen Ansätzen, die ebenfalls longitudinal und lateral mono-modige DFB-Laser mit hohen Ausgangsleistungen zum Ziel haben, kann jedoch bei dem hier präsentierten Konzept aufgrund des Einsatzes von lateralen DFB-Gittern auf eine Unterbrechung des epitaktischen Wachstums verzichtet werden. Dies vereinfacht die Herstellung der Schichtstrukturen deutlich. Die hier vorgestellten Konzepte sind mit weiteren üblichen Vorgehensweisen zur Herstellung von Hochleistungslaserdioden, wie z.B. speziellen Facettenreinigungs- und Passivierungsverfahren oder Materialdurchmischung im Facettenbereich, kombinierbar. Zudem kann das hier am Beispiel des InGaAs/GaAs Materialsystems entwickelte Konzept auf alle zur Herstellung von Halbleiterlaserdioden üblichen Materialsysteme übertragen werden und eröffnet so eine völlig neue, material- und wellenlängenunabhängige Möglichkeit Abstrahlcharakteristik und Ausgangsleistung von Laserdioden zu optimieren. / The primary objective of this work was the development of laterally coupled DFB semiconductor laser diodes for high-power applications. Special attention was turned to high COD thresholds and narrow farfield distributions. Based on a LOC design, simulations were undertaken and a new epitaxial design was devised featuring an active layer positioned asymmetrically in a LOC with a height of 2.5 μm. This design guarantees good coupling between the light mode and the lateral grating, something that is especially critical in the case of laterally coupled DFB lasers. Furthermore, due to this design the fringes of the light mode extend farther into the waveguide layers than possible in conventional waveguides, thereby improving the farfield characteristics of the devices. The farfield distributions of these laser diodes exhibit FWHM values of 14° in lateral and only 19° in transversal direction. Compared to standard designs the dimension of the transversal farfield could be reduced by more than 50 %, resulting in an almost circular farfield pattern, hence improving the coupling efficiency into optical fibers or lenses significantly. Based on the developed epitaxial design with an asymmetrical LOC, a new ridge design was devised. It features RWGs that are tapered down to a width of only several hundred nanometers at both ends of the laser cavity. Due to this tapered sections, the optical mode is pushed down into the 2.5 μm thick waveguide, filling it out completely in transversal direction. Because of the increased distance between the lasing mode and the RWG, the lateral mode guiding is also decreased, resulting in an expansion parallel to the epitaxial layers as well. Consequently the light spreads over a significantly larger area than in the case of a RWG of constant width. The thusly reduced power density at the laser facet is tantamount to an increase in COD threshold the extent of which depends on the particular design parameters of layer and ridge design respectively. Furthermore, the weaker localisation of the light mode causes a further decrease of the farfields’ FWHM values. Due to the localisation of the light mode being weaker than in conventional laser structures, the measured lasers’ farfield distributions are very narrow. A 1800 μm long laser with a 2.0 μm wide RWG tapered down to 0.4 μm over a length of 200 μm yields FWHM values of 5.2° in lateral and 13.0° in transversal direction. These values are considerably smaller than those achieved with other laser diodes based on LOC structures presented up to now. The layout of the taper structures determines the degree of the spread into the lower waveguide and therefore influences the farfield distributions. When measured in CW mode, the tapered lasers show a maximum optical output power of 200 mW before exhibiting thermal roll-over. Measured at an output power of 185 mW, the spectral characteristics yield a SMSR of 33 dB. Operated in pulsed mode (50 ns pulse length, 1 MHz repetition rate), the laser diodes show high COD thresholds of several hundred up to 1600 mW. The COD thresholds exhibit a strong dependence on the taper width viz. a fast increase of COD threshold with decreasing taper width. Data derived from measurements conducted with a 1800 μm long laser that was tapered down to a ridge width of only 0.3 μm over a length of 200 μm, yield a COD threshold of 1.6 W. Other approaches aiming at laterally and longitudinally mono-mode high-power DFB lasers are based on an epitaxial overgrowth step. This highly risky procedure could be foregone due to the use of DFB gratings positioned laterally to the RWG. The concepts presented here are fully compatible with other procedures usually used for manufacturing high power laser diodes with high COD thresholds, such as special facet cleaning and passivation procedures or quantum-well-intermixing. Above all, although the concept developed in this work was based on the InGaAs/GaAs material system, it can be transferred to virtually every material system used for the fabrication of semiconductor laser diodes. Thus the presented concept establishes a new way of optimizing both farfield and output power of laser diodes that is independent of both material system and emission wavelength.

This thesis deals with nanoelectromechanical systems in the quantum regime. Nanoelectromechanical systems are systems where a mechanical degree of freedom of rather macroscopic size is coupled to an electronic degree of freedom. The mechanical degree of freedom can without any constraints be modeled as the fundamental mode of a harmonic oscillator. Due to their size and the energy scales involved in the setting, quantum mechanics plays an important role in their description. We investigate transport through such nanomechanical devices where our focus lies on the quantum regime. We use non-equilibrium methods to fully cover quantum effects in setups where the mechanical oscillator is part of a tunnel junction. In such setups, the mechanical motion influences the tunneling amplitude and thereby the transport properties through the device. The electronics in these setups can then be used to probe and characterize the mechanical oscillator through signatures in transport quantities such as the average current or the current noise. The interplay between the mechanical motion and other physical degrees of freedom can also be used to characterize these other degrees of freedom, i.e., the nanomechanical oscillator can be used as a detector. In this thesis, we will show that a nanomechanical oscillator can be used as a detector for rather exotic degrees of freedom, namely Majorana bound states which recently attracted great interest, theoretically as well as experimentally. Again, the quantum regime plays an essential role in this topic. One of the major manifestations of quantum mechanics is entanglement between two quantum systems. Entanglement of quantum systems with few (discrete) degrees of freedom is a well established and understood subject experimentally as well as theoretically. Here, we investigate quantum entanglement between two macroscopic continuous variable systems. We study different setups where it is possible to entangle two nanomechanical oscillators which are not directly coupled to each other. We conclude with reviewing the obtained results and discuss open questions and possible future developments on the quantum aspects of nanomechanical systems. / Diese Arbeit beschäftigt sich mit den quantenmechanischen Aspekten von nanoelektromechanischen Systemen. In nanomechanischen Systemen koppelt ein nahezu makroskopischer mechanischer Freiheitsgrad an einen elektronischen Freiheitsgrad. Ohne weitere Einschränkungen kann der mechanische Freiheitsgrad mit der fundamentalen Anregung eines harmonischen Oszillators beschrieben werden. Auf Grund der Größenordnung von beteiligten Längen- und Energieskalen spielt die Quantenmechanik eine sehr wichtige und nicht zu vernachlässigende Rolle in der Beschreibung dieser Systeme. In dieser Arbeit untersuchen wir elektrische Transporteigenschaften in solchen nanomechanischen Elementen, wobei unser Fokus in der Quantennatur dieser Systeme liegt. Um quantenmechanische Effekte gänzlich zu berücksichtigen, verwenden wir Nichtgleichgewichts-Methoden wie zum Beispiel den Keldysh Formalismus. Wir konzentrieren uns hauptsächlich auf Systeme, in denen der nanomechanische Oszillator Teil eines Tunnelkontaktes ist. In solchen Anordnungen wird die Tunnelbarriere durch den Oszillator moduliert, was zur Folge hat, dass auch die elektronischen Transporteigenschaften beeinflusst werden. Durch Signaturen in Transportgrößen der Elektronik, wie zum Beispiel des mittleren Tunnel-Stroms oder des Stromrauschens, ist es nun möglich den nanomechanischen Oszillator zu untersuchen und zu charakterisieren. Die Wechselwirkung zwischen dem mechanischem Freiheitsgrad und anderen Freiheitsgraden ermöglicht es diese anderen Freiheitsgrade zu charakterisieren. Folglich kann der nanomechanische Oszillator als Detektor benutzt werden. In dieser Arbeit zeigen wir, dass der nanomechanische Oszillator als Detektor für sehr exotische physikalische Freiheitsgrade verwendet werden kann. Diese exotischen Freiheitsgrade sind sogenannte gebundene Majoranazustände, die kürzlich in der theoretischen und experimentellen Physik viel Aufsehen erregt haben. Hier spielt die quantenmechanische Beschreibung des Systems wiederum eine große Rolle. Eines der wichtigsten und faszinierendsten Phänomene der Quantenmechanik ist die quantenmechanische Verschränkung zweier Quantensysteme. Die Verschränkung von quantenmechanischen Systemen mit wenigen (diskreten) Freiheitsgraden ist ein theoretisch und experimentell sehr gut verstandenes Phänomen. Wir untersuchen Verschränkung zwischen zwei makroskopischen Systemen mit kontinuierlichen Freiheitsgraden in zwei verschiedenen Anordnungen, die es erlauben zwei nanomechanische Oszillatoren zu verschränken, die nicht direkt miteinander gekoppelt sind. Schließlich fassen wir unsere Ergebnisse zusammen und diskutieren offene Fragen und künftige Entwicklungen, die sich mit der Quantennatur nanoelektromechanischer Systeme beschäftigen.