Gegenstand der Arbeit ist die Suche nach einer Technologie zum stoffschlüssigen Fügen von Leichtbaustrukturen, die aus Aluminiumblechen bestehen. Hohe Anforderungen an die Oberflächenqualität der Fügestelle können dabei nur durch den Einsatz eines Lötprozesses erfüllt werden. Es wird theoretisch untersucht, welche werkstoffspezifischen und technischen Schwierigkeiten das Hartlöten von Aluminium im allgemeinen hervorruft. Unter deren Berücksichtigung werden Lösungsansätze getroffen und bewertet. Im Ergebnis dieser Bewertung wird ein Hartlötprozeß modelliert, bei dem unter Verzicht auf Flußmittel ein Festkörperlaser als Wärmequelle dient. Zur Abschätzung der Vorgänge im Fügespalt, in der Oxidhaut an der Aluminumoberfläche sowie der Temperaturverläufe in den Fügeteilen erfolgen Simulationsrechnungen. Einer ersten experimentellen Überprüfung folgen Modifikationen des Prozesses und deren erneute Simulation. Technologische Versuche testen den Einsatz besonderer Lotwerkstoffe sowie eines zusätzlichen Aktivierungslasers. Metallographische Untersuchungen gelöteter Probebleche geben Aufschluß über den Stoffschluß, der trotz sehr kurzer, lötuntypischer Prozessdauer und ohne Anschmelzung des Grundwerkstoffs eintritt. Zum Abschluß wird in einigen grundlegenden Versuchen überprüft, inwiefern anhand der gewonnenen Erkenntnisse auch ohne den hohen technischen Aufwand des Hochleistungslasers ein flußmittelfreier Hartlötprozeß realisierbar ist.

Wasserdampf in der Stratosphäre und Troposphäre ist eines der wichtigsten atmosphärischen Treibhausgase. Neben seiner Bedeutung für das Klima hat es großen Einfluss auf die Bildung von polaren stratosphärischen Wolken sowie auf die atmosphärische Chemie. Weltweit erstmalig soll innerhalb eines Forscherverbundes in Deutschland ein leistungsstarkes, mobiles, abtastendes Wasserdampf-DIAL zur dreidimensional hochaufgelösten Messung des atmosphärischen Wasserdampfs entwickelt werden. Mit dem Wasserdampf-DIAL können Wasserdampfkonzentrationen in der Atmosphäre mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung gemessen werden. Das DIAL basiert auf einem Titan-Saphir-Laser oder einem dazu alternativen OPO-Laser (optisch parametrischer Oszillator). Der für das optische Pumpen dieser Laser nötige Pumplaser wurde im Rahmen dieser Arbeit in der Arbeitsgruppe Nichtlineare Optik des Instituts für Physik der Universität Potsdam entwickelt. Ein hochauflösendes, mobiles DIAL erfordert einen Pumplaser mit großen Pulsenergien, guter Strahlqualität und einer hohen Effizienz. Um diese Ziele zu erreichen, wurde ein MOPA-System (Master Oscillator Power Amplifier) mit Frequenzstabilisierung auf der Basis von doppelbrechungskompensierten, transversal diodengepumpten Laserstäben entwickelt und untersucht. Auf dem Weg dahin wurden unterschiedliche Realisierungsmöglichkeiten des MOPA-Systems geprüft. Im Rahmen dessen wurden die Festkörperlasermaterialien Yb:YAG [1], kerndotierte Nd:YAG-Keramik [2] und herkömmliches Nd:YAG vorgestellt und hinsichtlich ihrer Eignung für dieses MOPA-System untersucht. Nachdem die Entscheidung für Nd:YAG als laseraktives Material gefallen war, konnte darauf aufbauend die Konzeptionierung des Lasersystems auf der Basis von Verstärkungsrechnungen vorgenommen werden. Die entwickelte Verstärkungsrechnung trägt den Tatbeständen von realen Systemen Rechnung, indem radiusabhängige Intensitäten und eine radiale, nicht homogene Inversionsdichte berücksichtigt werden. Die Frequenzstabilisierung des gepulsten Oszillators (Frequenzstabilität von 1 MHz) wurde mittels des Pound-Drever-Hall-Verfahrens vorgenommen. Mit der Heterodynmethode wird die Frequenzstabilität des Oszillators gemessen. Nach Untersuchungen über verschiedene Konfigurationen für lineare und ringförmige Oszillatoren, wurde ein Ringoszillator mit zwei Laserköpfen aufgebaut, in welchen von außen mit einem Laser fester Frequenz eingestrahlt wird. Dieser emittiert bei einer Wiederholrate von 400 Hz eine Pulsenergie von Eout = 21 mJ bei nahezu beugungsbegrenzter Strahlqualität (M2 < 1,2). Die Verstärkung dieser Laserpulse erfolgte zunächst durch eine Vorverstärkerstufe und anschließend durch zwei doppelbrechungskompensierte Hauptverstärker im Doppeldurchgang. Eine gute Strahlqualität (M2 = 1,75) konnte unter anderem erzielt werden, indem der Doppeldurchgang durch die Hauptverstärker mit einem phasenkonjugierenden Spiegel (SF6), auf der Basis der stimulierten Brillouin Streuung, realisiert wurde. Der entwickelte Laser emittiert Pulse mit einer Länge von 25 ns und einer Energie von 250 mJ. Insgesamt wurde ein bisher einmaliges Lasersystem entwickelt. In der Literatur sind die erreichte Frequenzstabilität, Strahlqualität und Leistung in dieser Kombination bisher nicht dokumentiert. In der Zukunft soll durch den Einsatz von kerndotierten, keramischen Lasermaterialien, höheren Pumpleistungen der Hauptverstärker und phasenkonjugierenden Spiegeln aus Quarz die Pulsenergie des Systems weiter erhöht werden. [1] M. Ostermeyer, A. Straesser, “Theoretical investigation of Yb:YAG as laser material for nanosecond pulse emission with large energies in the joule range”, Optics Communications, Vol. 274, pp. 422-428 (2007) [2] A. Sträßer and M. Ostermeyer, “Improving the brightness of side pumped power amplifiers by using core doped ceramic rods”, Optics Express, Vol. 14, pp. 6687- 6693 (2006) / Vapour in the stratosphere and troposphere is one of the most important atmospheric greenhouse gases. Apart from its importance for the climate it has a great influence on the formation of polar stratospheric clouds as well as the atmospheric chemistry. A German research group is currently developing the world’s first powerful, mobile, screening vapour-DIAL, which can measure the atmospheric vapour three-dimensionally and in high resolution. Vapour concentrations in the atmosphere can be measured in high temporal and local resolution with this vapour-DIAL. The DIAL is based on a titan-saphire-laser or an alternative OPO-laser (Optical Parametric Oscillator). The seeding-laser, which is needed in order to seed those lasers, was developed in the course of this work by the research group for nonlinear optics in the institute for physics at the University of Potsdam. A highly-resolutive, mobile DIAL needs a seeding-laser with high pulse energy, excellent beam quality and high efficiency. In order to realise this, a frequency stabilised MOPA-System (Master Oscillator Power Amplifier) was developed, which based on birefringence-compensated, transversally diode-pumped laser rods. During the research process several ways to realise the MOPA-System were investigated. In this process the solid laser materials Yb:YAG [1], core-doped Nd:YAG-Ceramics [2] und conventional Nd:YAG were introduced and their suitability for the MOPA-System was investigated. After the choice for Nd:YAG as laser-active material was made, the concept of the laser-system could be developed based on amplification-calculations. The amplification-calculation meets the requirements of real systems, because intensities depending on diameter and a radial, non-homogeneous inversion density are being taken into consideration. The frequency of the pulsed oscillator (frequency stabilisation of 1 MHz) was stabilised by means of the Pound-Drever-Hall-Method. The frequency stability of the oscillator is measured using the Heterodyn-Method. After the investigation of different configurations for linear and circular oscillators a circular oscillator with two laser heads was set up, which is injection-seeded by a second laser with a stable frequency. At a repetition rate of 400 Hz the circular oscillator emits a pulse energy of Eout = 21 mJ with almost diffraction-limited beam quality (M2 < 1.2). These laser pulses were first amplified by a pre-amplifier and afterwards by two birefringence compensated main-amplifier in doublepass. Among other factors, an excellent beam quality (M2 = 1.75) could be reached by the doublepass through the main amplifier realised with a phase conjugating mirror (SF6) based on stimulated Brillouin-scattering. The developed laser emits pulses that are of 25 ns length and have an energy of 250 mJ. A currently unique laser system was developed. In the research findings there are no previous documents of the combination of the reached stability of frequency, beam quality and power in one system. In the future the pulse energy of the system is to be further increased through the use of core-doped, ceramic laser material, a higher pump power of the main amplifiers and phase-conjugating mirrors made of quartz. [1] M. Ostermeyer, A. Straesser, “Theoretical investigation of Yb:YAG as laser material for nanosecond pulse emission with large energies in the joule range”, Optics Communications, Vol. 274, pp. 422-428 (2007) [2] A. Sträßer and M. Ostermeyer, “Improving the brightness of side pumped power amplifiers by using core doped ceramic rods”, Optics Express, Vol. 14, pp. 6687- 6693 (2006)

Gegenstand der Arbeit ist die Suche nach einer Technologie zum stoffschlüssigen Fügen von Leichtbaustrukturen, die aus Aluminiumblechen bestehen. Hohe Anforderungen an die Oberflächenqualität der Fügestelle können dabei nur durch den Einsatz eines Lötprozesses erfüllt werden. Es wird theoretisch untersucht, welche werkstoffspezifischen und technischen Schwierigkeiten das Hartlöten von Aluminium im allgemeinen hervorruft. Unter deren Berücksichtigung werden Lösungsansätze getroffen und bewertet. Im Ergebnis dieser Bewertung wird ein Hartlötprozeß modelliert, bei dem unter Verzicht auf Flußmittel ein Festkörperlaser als Wärmequelle dient. Zur Abschätzung der Vorgänge im Fügespalt, in der Oxidhaut an der Aluminumoberfläche sowie der Temperaturverläufe in den Fügeteilen erfolgen Simulationsrechnungen. Einer ersten experimentellen Überprüfung folgen Modifikationen des Prozesses und deren erneute Simulation. Technologische Versuche testen den Einsatz besonderer Lotwerkstoffe sowie eines zusätzlichen Aktivierungslasers. Metallographische Untersuchungen gelöteter Probebleche geben Aufschluß über den Stoffschluß, der trotz sehr kurzer, lötuntypischer Prozessdauer und ohne Anschmelzung des Grundwerkstoffs eintritt. Zum Abschluß wird in einigen grundlegenden Versuchen überprüft, inwiefern anhand der gewonnenen Erkenntnisse auch ohne den hohen technischen Aufwand des Hochleistungslasers ein flußmittelfreier Hartlötprozeß realisierbar ist.

Die Dissertation widmet sich dem Schneiden von Faser-Kunststoff-Verbunden mit einem Laserstrahl. Herausforderung ist dabei der thermisch und optisch inhomogene Aufbau dieser Werkstoffklasse. Die Untersuchungen erfolgten an technisch relevanten Werkstoffen, basierend auf Glasfasern und thermoplastischer Matrix sowie Kohlenstofffasern mit duroplastischer Matrix. Eine grundlegende Betrachtung zur Werkstoff-Laserstrahl-Wechselwirkung zeigte zunächst den Einfluss der jeweiligen Einzelwerkstoffe und deren Mischungsverhältnis auf die absorbierten Anteile von einfallender Laserstrahlung mit den Wellenlängen λ = 1,07 µm und λ = 10,6 µm. Besondere Beachtung wurde dem Ansatz der simultanen Bearbeitung der Werkstoffe mit Laserstrahlung beider Wellenlängen gewidmet. Zielstellung war, bei gleichen optischen Randbedingungen die gute Fokussierbarkeit der Strahlung mit der Wellenlänge λ = 1,07 µm auszunutzen, um hohe Intensitäten auf dem Werkstoff zu erzeugen. Gleichzeitig sollte die Strahlung mit der Wellenlänge λ = 10,6 µm genutzt werden, um hohe absorbierte Anteile der einfallenden Laserstrahlung, vorranging im Matrixwerkstoff zu erhalten. Bei Verwendung eines Remote-Bearbeitungssystems können die Wechselwirkungszeit zwischen Laserstrahlung und Werkstoff minimiert und so hohe Vorschubgeschwindigkeiten erzeugt werden. Mit dem Mischungsverhältnis der Laserleistungen der jeweiligen Strahlquellenanteile steht dem zukünftigen Anwender ein neuartiger Freiheitsgrad zur Lasermaterialbearbeitung zur Verfügung. Im Ergebnis dieser Arbeit wurde der Einfluss dieses Parameters auf die Schneidbarkeit der Werkstoffe dargestellt. Der Endanwender erhält so eine grundlegende Orientierung zum Schneidverhalten von Faser-Kunststoff-Verbunden in Abhängigkeit von der jeweiligen Wellenlänge sowie der Schnittorientierung gegenüber der Faserorientierung der Werkstoffe.

Die Dissertation widmet sich dem Schneiden von Faser-Kunststoff-Verbunden mit einem Laserstrahl. Herausforderung ist dabei der thermisch und optisch inhomogene Aufbau dieser Werkstoffklasse. Die Untersuchungen erfolgten an technisch relevanten Werkstoffen, basierend auf Glasfasern und thermoplastischer Matrix sowie Kohlenstofffasern mit duroplastischer Matrix. Eine grundlegende Betrachtung zur Werkstoff-Laserstrahl-Wechselwirkung zeigte zunächst den Einfluss der jeweiligen Einzelwerkstoffe und deren Mischungsverhältnis auf die absorbierten Anteile von einfallender Laserstrahlung mit den Wellenlängen λ = 1,07 µm und λ = 10,6 µm. Besondere Beachtung wurde dem Ansatz der simultanen Bearbeitung der Werkstoffe mit Laserstrahlung beider Wellenlängen gewidmet. Zielstellung war, bei gleichen optischen Randbedingungen die gute Fokussierbarkeit der Strahlung mit der Wellenlänge λ = 1,07 µm auszunutzen, um hohe Intensitäten auf dem Werkstoff zu erzeugen. Gleichzeitig sollte die Strahlung mit der Wellenlänge λ = 10,6 µm genutzt werden, um hohe absorbierte Anteile der einfallenden Laserstrahlung, vorranging im Matrixwerkstoff zu erhalten. Bei Verwendung eines Remote-Bearbeitungssystems können die Wechselwirkungszeit zwischen Laserstrahlung und Werkstoff minimiert und so hohe Vorschubgeschwindigkeiten erzeugt werden. Mit dem Mischungsverhältnis der Laserleistungen der jeweiligen Strahlquellenanteile steht dem zukünftigen Anwender ein neuartiger Freiheitsgrad zur Lasermaterialbearbeitung zur Verfügung. Im Ergebnis dieser Arbeit wurde der Einfluss dieses Parameters auf die Schneidbarkeit der Werkstoffe dargestellt. Der Endanwender erhält so eine grundlegende Orientierung zum Schneidverhalten von Faser-Kunststoff-Verbunden in Abhängigkeit von der jeweiligen Wellenlänge sowie der Schnittorientierung gegenüber der Faserorientierung der Werkstoffe.

The scope of this work is an in-depth investigation of dielectric mirror microcavities with central organic dye layers, which are preferably modified in at least one lateral dimension. The large quality factor of the planar resonator in conjunction with comparatively stable and spectrally broad emitting molecules allows for a detailed analysis of several aspects of microresonator systems. Their optical properties are analyzed both with transmission and luminescence measurements as well as in the lasing regime. The first part presents the resonant mode properties of planar and laterally structured microcavities. With the help of a high-resolution imaging micro-photoluminescence setup, working either in the spatial (near field) or vectorial (far field) regime, the polarization splitting is studied in a detuned microcavity, containing the dye 4,4'-bis[(N-carbazole)styryl]biphenyl (BSB-Cz) in a matrix of 4,4'-di(N-carbazolyl)- biphenyl (CBP). With the help of a thickness gradient, a relation between the large spectral distance of the cross-polarized states and the mode position within the stop band is investigated. In shadow-mask prepared, laterally restricted devices (5x5 µm2 square boxes), the three-dimensional confinement introduces sets of discrete modes, which experience a similar polarization splitting. The origin in this case is a different phase shift of electromagnetic waves during internal total reflection at a boundary. By using a concentration gradient planar microcavity sample of the dye 4-(dicyanomethylene)-2-methyl-6-(4-(dimethylamino)styryl)-4H-pyran (DCM) in a tris-(8-hydroxyquinoline)aluminum (Alq3) matrix, the influence of the number of emitters on the lasing characteristics is subsequently analyzed. Depending on the pumping conditions, and thus the involvement of the Förster resonant energy transfer, an optimal composition is identified. After a qualitative evaluation of the long-term stability upon various excitation energies, the attention is focussed to the modification of the stimulated emission properties of photonic boxes. The stronger field concentration and altered density of states leads to a significant improvement of the values for the coupling factor fi and the threshold levels. Furthermore, new properties arise, namely simultaneous multimode and off-axis laser emission. With an inhomogeneous excitation of the box, it is possible to selectively excite single modes above the threshold. The work ends with experimental results of metal structures as additional optical element in the organic microcavity layer. Here, the aim is is to understand the passive influence of these possible contact- devices on the lasing performance. For this purpose, the lasing is studied at an interface of an areal thin metal layer, which is incorporated in the organic layer.

The scope of this work is an in-depth investigation of dielectric mirror microcavities with central organic dye layers, which are preferably modified in at least one lateral dimension. The large quality factor of the planar resonator in conjunction with comparatively stable and spectrally broad emitting molecules allows for a detailed analysis of several aspects of microresonator systems. Their optical properties are analyzed both with transmission and luminescence measurements as well as in the lasing regime. The first part presents the resonant mode properties of planar and laterally structured microcavities. With the help of a high-resolution imaging micro-photoluminescence setup, working either in the spatial (near field) or vectorial (far field) regime, the polarization splitting is studied in a detuned microcavity, containing the dye 4,4'-bis[(N-carbazole)styryl]biphenyl (BSB-Cz) in a matrix of 4,4'-di(N-carbazolyl)- biphenyl (CBP). With the help of a thickness gradient, a relation between the large spectral distance of the cross-polarized states and the mode position within the stop band is investigated. In shadow-mask prepared, laterally restricted devices (5x5 µm2 square boxes), the three-dimensional confinement introduces sets of discrete modes, which experience a similar polarization splitting. The origin in this case is a different phase shift of electromagnetic waves during internal total reflection at a boundary. By using a concentration gradient planar microcavity sample of the dye 4-(dicyanomethylene)-2-methyl-6-(4-(dimethylamino)styryl)-4H-pyran (DCM) in a tris-(8-hydroxyquinoline)aluminum (Alq3) matrix, the influence of the number of emitters on the lasing characteristics is subsequently analyzed. Depending on the pumping conditions, and thus the involvement of the Förster resonant energy transfer, an optimal composition is identified. After a qualitative evaluation of the long-term stability upon various excitation energies, the attention is focussed to the modification of the stimulated emission properties of photonic boxes. The stronger field concentration and altered density of states leads to a significant improvement of the values for the coupling factor fi and the threshold levels. Furthermore, new properties arise, namely simultaneous multimode and off-axis laser emission. With an inhomogeneous excitation of the box, it is possible to selectively excite single modes above the threshold. The work ends with experimental results of metal structures as additional optical element in the organic microcavity layer. Here, the aim is is to understand the passive influence of these possible contact- devices on the lasing performance. For this purpose, the lasing is studied at an interface of an areal thin metal layer, which is incorporated in the organic layer.:List of publication Introduction Optical properties of dielectric microresonator systems Sample fabrication and characterization Resonant mode properties of dielectric mirror microcavities Lasing from laterally modified organic cavity systems Conclusion and outlook Bibliography

In this work, a new organic light-emitting device (OLED) structure is proposed that allows light-emission from a metal-free device region, thus reducing the hurdles towards an electrically pumped organic solid state laser (OSL). Our design concept employs a stepwise change from a highly conductive but opaque metal part to a highly transparent but less conductive intrinsic emission layer. Here, the high current densities are localized to an area of a few micrometer in square, which is in the range of the mode volume of the transverse mode of an organic vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL). Besides these experimental results, we present findings from simulations which further support the feasibility of our design concept. Using an equivalent circuit approach, representing the current ow in the device, we calculate the time-dependent length of the emission zone and give estimations for appropriate material parameters.