Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von weitbandlückigen Halbleitern mittels Raman-Spektroskopie. Diese wurde vorwiegend unter Verwendung von Licht einer Wellenlänge von 325 nm im ultravioletten Spektralbereich angeregt. Damit konnten zum einen aufgrund eines erhöhten Streuquerschnittes Messungen zur Probencharakterisierung durchgeführt werden, die mit Anregung im sichtbaren Spektralbereich nicht möglich gewesen wären. Zum anderen wurden bei dieser Anregungswellenlänge auftretende Resonanzeffekte untersucht. Dabei werden zwei verschiedene Materialsysteme behandelt: zum einen Kristalle mit Wurtzitstruktur und zum anderen binäre und ternäre Sesquioxide mit Metallionen der III. Hauptgruppe. An den Kristallen mit Wurtzitstruktur wurde die Streuung des Anregungslichts mit Energie oberhalb der Bandlücke an longitudinal-optischen (LO) Phononen untersucht. Die Streuung an einzelnen LO-Phononen wird unter diesen Anregungsbedingungen von einem Prozess dominiert, der eine elastische Streuung beinhaltet, durch die die Impulserhaltung verletzt wird. Es wurde ein Modell aufgestellt, dass zwischen einer elastischen Streuung an der Oberfläche und an Punktdefekten unterscheidet, und mit Hilfe von Experimenten verifiziert. Weiterhin wurde der Einfluss von Ladungsträgern auf die Energie der LO-Phononen untersucht und es wird eine Anwendung dieser Erkenntnisse zur Charakterisierung der Oberfläche von Zinkoxid vorgestellt. An den binären Oxiden des Galliums und Indiums wurden die Energien der Phononenmoden ermittelt und die resonante Verstärkung bei der verwendeten Anregungswellenlänge untersucht. Für das Galliumoxid wurde dabei insbesondere die Anisotropie des Materials berücksichtigt. Für das Indiumoxid wird dargestellt, dass durch die resonante Anregung alle Phononenmoden beobachtet werden können, was insbesondere auch die Bestimmung der Phononenmoden von Dünnschichtproben ermöglicht. Weiterhin waren Mischkristalle des Galliumoxids Untersuchungsgegenstand, in denen das Gallium teilweise durch Indium oder Aluminium ersetzt wurde. Die Phononenenergien wurden in Abhängigkeit der Zusammensetzung ermittelt und der Einfluss von strukturellen Eigenschaften darauf sowie das Auftreten von Phasenübergängen untersucht.

In this work, a characterization and optimization of the grating-based x-ray imaging technique is presented. The investigations are introduced by analytical considerations, are underpinned with numerical simulations and validated using exemplary experiments. A detailed examination of the image formation in a grating interferometer is given, highlighting the dependence of the measured signal on the profile of the gratings. Subsequently, it is shown analytically and in experiments that grating-based imaging can be performed using three basic grating arrangements, which differ in their requirements on grating fabrication and experimental implementation. By a characterization of the measurement signal for each arrangement, a dependence of the signal strength on the sample position within the interferometer is identified. The consecutive evaluation of the impact of this position dependence on radiographic and tomographic data leads to the derivation of optimized reconstruction algorithms and to a correction of resulting image artifacts. Additionally, it is shown that the simultaneous measurement of attenuation and phase images allows the determination of the atomic number of the sample, opening new possibilities for material discrimination. Apart from these investigations on the contrast formation, various imperfections of the technique are investigated: The properties of the image noise are examined in a detailed statistical analysis, yielding a fundamental understanding of the signal-to-noise behavior of the three available contrast channels. Additionally, beam-hardening artifacts at polychromatic x-ray sources are investigated and their correction by a linearization approach is resented. By a subsequent analysis of the influence of various different grating imperfections on the image quality, tolerance limits for grating fabrication are specified. Furthermore, analytical considerations show that gratings with a duty cycle of 1/3 are advantageous with respect to the signal-to-noise ratio in comparison to common gratings with a duty cycle of 1/2. In conclusion, the results, concepts and methods developed in this work broaden the understanding of grating-based x-ray imaging and constitute a step forward towards the practical implementations of the technique in imaging applications.

The three dimensional Monte Carlo radiation transport model McArtim is extended to account for the simulation of the propagation of polarized radiation and the inelastic rotational Raman scattering which is the cause of the so called Ring effect. From the achieved and now sufficient precision of the calculated Ring effect new opportunities in optical absorption spectroscopy arise. In the calculation the method of importance sampling (IS) is applied. Thereby one obtains from an ensemble of Monte Carlo photon trajectories an intensity accounting for the elastic aerosol particle-, Cabannes- and the inelastic rotational Raman scattering (RRS) and simultaneously an intensity, for which Rayleigh scattering is treated as an elastic scattering process. By combining both intensities one obtains the so called filling-in (FI, which quantifies the filling-in of Fraunhofer lines) as a measure for the strength of the Ring effect with the same relative precision as the intensities. The validation of the polarized radiometric quantities and the Ring effect is made by comparison with partially published results of other radiation transport models. Furthermore the concept of discretisation of the optical domain into grid cells is extended by making grid cells arbitrarily joining into so called clusters, i.e. grid cell aggregates. Therewith the program is able to calculate derivatives of radiometrically or spectroscopically accessible quantities, namely the intensities at certain locations in the atmospheric radiation field and the light path integrals of trace gas concentrations associated thereto, i.e. the product of the DOAS (differential optical absorption spectroscopy) method, with respect to optical properties of aerosols and gases in connected spatial regions. The first and second order derivatives are validated through so called self-consistency tests. These derivatives allow the inversion of three dimensional tracegas and aerosol concentration profiles and pave the way down to 3D optical scattered light tomography. If such tomographic inversion scheme is based solely on spectral intensitites the available second order derivatives allows the consideration of the curvature in the cost function and therefore allows implementation of efficient optimisation algorithms. The influence of the instrument function on the spectra is analysed in order to mathematically assess the potential of DOAS to a sufficient degree. It turns out that the detailed knowledge of the instrument function is required for an advanced spectral analysis. Concludingly the mathematical separability of narrow band signatures of absorption and the Ring effect from the relatively broad band influence of the elastic scattering processes on the spectra is demonstrated which corresponds exactly to the DOAS principle. In that procedure the differential signal is obtained by approximately 4 orders of magnitude faster then by the separate modelling with and without narrow band structures. Thereby the fusion of the separated steps DOAS spectral analysis and subsequent radiation transport modeling becomes computationally feasible.:1.1. Radiation Transport Modeling and Atmospheric State Inversion 1.2. Vector RTE Solution Methods 1.3. Scope of the Thesis 1.4. Outline of the Thesis 2.1. General Structure 2.1.1. Chemical Composition of the Gas Phase 2.1.2. The Troposphere, Temperature and Pressure Vertical Structure 2.1.3. The Stratosphere 2.2. Aerosols and Clouds 2.2.1. Classification and Morphology 2.2.2. Water Related Particle Growth and Shrinking Processes 2.2.3. Size Spectra and Modes 3.1. Electromagnetic Waves 3.1.1. Maxwell\''s Equations 3.1.2. Measurement of Electromagnetic Waves 3.1.3. Polarization State of EM Waves 3.1.4. Stokes Vectors 3.2. Scattering and Absorption of EM Waves by Molecules and Particles 3.2.1. General Description of Scattering and Coordinate Systems 3.2.2. Molecular Scattering 3.2.3. Molecular Absorption Processes and Electronic Molecular States 3.2.4. Scattering On Spherical Particles - Mie Theory 3.3. Mathematical Description of Radiation Transport 3.3.1. Radiance and Irradiance 3.3.2. Absorption, Scattering and Extinction Coefficients 3.3.3. Optical Thickness and Transmission 3.3.4. Scattering 3.3.5. Incident (Ir)Radiance 3.3.6. The Black Surface Single Scattering Approximation 3.3.7. Radiative Transfer Equations 4.1. General Monte Carlo Methods 4.1.1. Numerical Integration 4.1.2. Importance Sampling and Zero Variance Estimates 4.1.3. Optimal Sampling 4.1.4. Sampling from Arbitrary Distributions 4.2. Path Generation or Collision Density Estimation 4.2.1. Discretization of the Optical Domain into Cells and Clusters 4.2.2. RTE Integral Form 4.2.3. Formal Solution of the IRTE 4.2.4. Overview on Monte Carlo RTE Solution Algorithms 4.2.5. Crude Monte Carlo 4.2.6. Sequential Importance Sampling (SIS) or Path Generation 4.3. Importance Sampling in Monte Carlo SIS Radiative Transfer 4.3.1. Weights for Alternate Kernels 4.3.2. Weights in the Calculation of RTE Functional Estimates 4.3.3. Application of IS to Mie Phase Functions Scatter Angle Sampling 5.1. Radiances, Intensities and the Reciprocity Theorem 5.1.1. Scalar Radiance Estimates 5.1.2. Backward Monte Carlo Scalar Radiance 5.1.3. Vector Radiances 5.2. Radiance Derivatives 5.2.1. Variables for Radiance Derivatives 5.3. Validation of Functionals 5.3.1. Validation of Vector Radiances 5.3.2. Validation of Radiance Derivatives 6.1. A Simply Structured Instrument Forward Model 6.2. Pure Atmospheric Spectra and Absorption 6.2.1. Direct Light Spectra 6.2.2. Scattered Sun Light Spectra 6.3. (D)OAS from the Perspective of Radiative Transfer Modeling 6.3.1. (Rest) Signatures of Weakly Absorbing Gases 6.3.2. Spectroscopic Measurements and Standard DOAS 6.4. DOAS Analysis Summary 6.4.1. DSCD Retrieval 6.4.2. Inversion 7.1. RRS-Modified RTE 7.1.1. RRS Cross Sections for Scattering out and into a Wavelength 7.1.2. Modification of the RTE Loss and Source Terms 7.2. Intensity Estimates Considering Rotational Raman Scattering 7.2.1. RRS in the Path Sampling Procedure 7.2.2. Adjoint RRS Correction Weights 7.2.3. Local Estimates of Intensities with RRS 7.2.4. Intensity Estimates 7.3. Ring Spectra 7.3.1. Elastic Biasing of the Local Estimates 7.3.2. Cumulative Weights and Local Estimates 7.3.3. Test of the Elastic Biasing 7.4. Validation 7.4.1. Comparison to an Analytic Single Scattering Code 7.4.2. Single Scattering Model Including Rotational Raman Scattering 7.4.3. Multiple Scattering Model Comparison 7.4.4. Comparison with A Measurement 7.4.5. Validation of Approximate Methods For Ring Effect Modeling 7.5. Summary and Discussion 8.1. Status and Summary 8.1.1. Ring-Effect and Absorption Corrected Radiances 8.1.2. Derivatives of Radiometric Quantities Accessible Through Spectroscopy 8.1.3. Polarization 8.1.4. Time Integrated Sensitivities for 3D UV/vis/NIR Remote Sensing 8.2. Outlook A.1. Zero Variance Estimates A.2. Free Path Length Sampling in a Homogeneous Medium A.3. Cumulative Differential Scatter Cross Sections A.3.1. Cardanic formulas A.3.2. Rayleigh and Raman Phase Functions A.3.3. Henyey-Greenstein Model A.3.4. Legendre Polynomial Phase Function Model A.3.5. Table Methods A.4. Greens Function in the Derivation of the IRTE A.5. Source Code For Stokes Vector Transformation Plot B.1. 1st Order Derivatives B.2. 2nd Order Derivatives B.3. Hessian of Integrals Depending on Many Variables C.1. Slit Function f Derivatives C.2. Signal Sn Derivatives C.3. Chi Square Spline Fitting C.3.1. Constrained Non-Linear Least Square Problem C.3.2. Spline Fitting C.3.3. Jacobians and Hessian

In dieser Arbeit wurde die alte Designvariante des Fabry-Pérot-Filters (FPI4) hinsichtlich Performance und Ausbeute untersucht. Zielstellung war eine Optimierung, welche die Probleme wie Sticking, Kurzschluss zwischen Schirm und Elektrode sowie Defekte bei den Vereinzelungsverfahren beseitigen sollten. Ferner wurden eine Chipbezeichnung und eine neue geteilte Elektrode anvisiert. Ergebnis dieser Optimierung war das neue Design FPI5. Weiterhin wurde neben der Auslegung des FPI5 für das adhäsive Bonden mit SU8 eine Designvariante für das direkte Bonden realisiert. Das direkte Bonden konnte bereits bei den FPI mit zwei beweglichen Reflektorträgern erfolgreich getestet werden und soll nun auf die Designvariante mit nur einem beweglichen Reflektorträger übertragen werden. Außerdem wurde eine Überprüfung der SU8-Bondfestigkeit durchgeführt. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass die bis dato benutzten Bondparameter nicht das Optimum bezüglich der Bondfestigkeit darstellen, da in Testverbunden mit veränderten Bondparametern bis zu 50 % höhere Bondfestigkeiten erreicht wurden.:ABKÜRZUNGS- UND FORMELVERZEICHNIS VI 1 EINLEITUNG 8 1.1 Motivation 8 1.2 Kapitelübersicht 11 2 DAS FABRY-PEROT-INTERFEROMETER 12 3 DAS ALTE DESIGN FPI4 15 3.1 FPI4 15 3.2 Optimierungspunkte und Schwachstellen 17 4 DAS NEUE DESIGN FPI5 19 4.1 Verhindern von Sticking 20 4.2 Isolator zwischen Schirm und Elektrode 22 4.3 Abdichtfolie für den Sägeprozess 22 4.4 Chipbezeichnung 23 4.5 Elektrodenform 23 4.6 Zusammenfassung des Redesigns 25 5 PROZESSTECHNISCHE REALISIERUNG 27 5.1 FPI5 – Direktbond 27 5.1.1 Oberteil 28 5.1.2 Unterteil 30 5.2 FPI5 – SU8 31 5.2.1 Oberteil 32 5.2.2 Unterteil 34 5.3 Selektive Schichtabscheidung der optischen Schichten 36 6 CHARAKTERISIERUNG DER MUSTER 37 6.1 FPI5 – Direktbond 37 6.1.1 Oberteil 38 6.1.2 Unterteil 40 6.1.3 Beschichtung der optischen Schichten in Jena 42 6.1.4 Zusammenfassung 44 6.2 FPI5 – SU8 47 6.2.1 Oberteil 48 6.2.2 Unterteil 49 6.2.3 Beschichtung der optischen Schichten in Jena 52 6.2.4 Zusammenfassung 54 7 BONDEN DER FPI 57 7.1 Vorversuche zur SU8-Bondfestigkeit 57 7.1.1 Realisierung der Bondmuster 59 7.1.2 Charakterisierung der Bondmuster 60 7.1.3 Vereinzelungstests der Bondmuster 63 7.1.4 Bondfestigkeitsüberprüfung der Bondmuster mit abgerundeten Bondrahmen 64 7.1.5 Bondfestigkeitsüberprüfung der Bondmuster ohne abgerundeten Bondrahmen 67 7.2 Direktbonden der FPI 73 7.2.1 Ablauf des Direktbondens 73 7.2.2 Charaktersierung der Bondmuster 76 7.3 SU8-Bonden der FPI 78 7.3.1 Präparation der SU8-Rahmenstruktur 78 7.3.2 Ablauf des SU8-Bondens 80 7.3.2 Charakterisierung der Bondmuster 81 8 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 83 LITERATURVERZEICHNIS 85 ABBILDUNGSVERZEICHNIS 87 TABELLENVERZEICHNIS 88 ANLAGENVERZEICHNIS 90 / This work presents a new design type of the older well known tunable micromachined Fabry-Pérot filter (FPI4). Compared to the previous system the new design (FPI5) aimed to avoid the problems as sticking, short circuit between the shield and the electrode as well as the malfunction in dicing and separation. Furthermore an identification mark and a new separated electrode were to be improved. The conclusion of this optimization was the new Design FPI5. The whole geometry was in addition to the adhesive bonding with SU8 moreover designed for the direct bonding, which was successfully verified in the FPI design with two moveable reflector carriers. Additionally a verification of the bonding strength at different bonding parameters was done. This verification showed that a 50 % higher bonding strength could be achieved by using the new bonding parameters in comparison to the normally used bonding parameters.:ABKÜRZUNGS- UND FORMELVERZEICHNIS VI 1 EINLEITUNG 8 1.1 Motivation 8 1.2 Kapitelübersicht 11 2 DAS FABRY-PEROT-INTERFEROMETER 12 3 DAS ALTE DESIGN FPI4 15 3.1 FPI4 15 3.2 Optimierungspunkte und Schwachstellen 17 4 DAS NEUE DESIGN FPI5 19 4.1 Verhindern von Sticking 20 4.2 Isolator zwischen Schirm und Elektrode 22 4.3 Abdichtfolie für den Sägeprozess 22 4.4 Chipbezeichnung 23 4.5 Elektrodenform 23 4.6 Zusammenfassung des Redesigns 25 5 PROZESSTECHNISCHE REALISIERUNG 27 5.1 FPI5 – Direktbond 27 5.1.1 Oberteil 28 5.1.2 Unterteil 30 5.2 FPI5 – SU8 31 5.2.1 Oberteil 32 5.2.2 Unterteil 34 5.3 Selektive Schichtabscheidung der optischen Schichten 36 6 CHARAKTERISIERUNG DER MUSTER 37 6.1 FPI5 – Direktbond 37 6.1.1 Oberteil 38 6.1.2 Unterteil 40 6.1.3 Beschichtung der optischen Schichten in Jena 42 6.1.4 Zusammenfassung 44 6.2 FPI5 – SU8 47 6.2.1 Oberteil 48 6.2.2 Unterteil 49 6.2.3 Beschichtung der optischen Schichten in Jena 52 6.2.4 Zusammenfassung 54 7 BONDEN DER FPI 57 7.1 Vorversuche zur SU8-Bondfestigkeit 57 7.1.1 Realisierung der Bondmuster 59 7.1.2 Charakterisierung der Bondmuster 60 7.1.3 Vereinzelungstests der Bondmuster 63 7.1.4 Bondfestigkeitsüberprüfung der Bondmuster mit abgerundeten Bondrahmen 64 7.1.5 Bondfestigkeitsüberprüfung der Bondmuster ohne abgerundeten Bondrahmen 67 7.2 Direktbonden der FPI 73 7.2.1 Ablauf des Direktbondens 73 7.2.2 Charaktersierung der Bondmuster 76 7.3 SU8-Bonden der FPI 78 7.3.1 Präparation der SU8-Rahmenstruktur 78 7.3.2 Ablauf des SU8-Bondens 80 7.3.2 Charakterisierung der Bondmuster 81 8 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 83 LITERATURVERZEICHNIS 85 ABBILDUNGSVERZEICHNIS 87 TABELLENVERZEICHNIS 88 ANLAGENVERZEICHNIS 90

Efficient substrates for surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) are under constant development, since time-consuming and costly fabrication routines are often an issue for high-throughput spectroscopy applications. In this research, we use a two-step fabrication method to produce self-organized parallel-oriented plasmonic gold nanostructures. The fabrication routine is ready for wafer-scale production involving only low-energy ion beam irradiation and metal deposition. The optical spectroscopy features of the resulting structures show a successful bidirectional plasmonic response. The localized surface plasmon resonances (LSPRs) of each direction are independent from each other and can be tuned by the fabrication parameters. This ability to tune the LSPR characteristics allows the development of optimized plasmonic nanostructures to match different laser excitations and optical transitions for any arbitrary analyte. Moreover, in this study, we probe the polarization and wavelength dependence of such bidirectional plasmonic nanostructures by a complementary spectroscopic ellipsometry and Raman spectroscopy analysis. We observe a significant signal amplification by the SERS substrates and determine enhancement factors of over a thousand times. We also perform finite element method-based calculations of the electromagnetic enhancement for the SERS signal provided by the plasmonic nanostructures. The calculations are based on realistic models constructed using the same particle sizes and shapes experimentally determined by scanning electron microscopy. The spatial distribution of electric field enhancement shows some dispersion in the LSPR, which is a direct consequence of the semi-random distribution of hotspots. The signal enhancement is highly efficient, making our SERS substrates attractive candidates for high-throughput chemical sensing applications in which directionality, chemical stability, and large-scale fabrication are essential requirements.

Der externe Wirkungsquerschnitt von auf AlGaAs/InGaAlP basierenden Leuchtdioden (LEDs) ist auf Grund von Totalreflexion infolge des hohen Brechungsindex des Halbleitermaterials (n=3...4) beschränkt. Auf die Oberfläche der LED aufgebrachte metallische Nanoteilchen (MNT) können jedoch als Dipolstreuer genutzt werden, um so die Emission der LED zu vergrößern. In dieser Arbeit wurden zunächst einzelne Goldnanoteilchen verschiedener Größe auf einer solchen Leuchtdiode in zwei verschiedenen Der externe Wirkungsquerschnitt von auf AlGaAs/InGaAlP basierenden Leuchtdioden (LEDs) ist auf Grund von Totalreflexion infolge des hohen Brechungsindex des Halbleitermaterials (n=3...4) beschränkt. Auf die Oberfläche der LED aufgebrachte metallische Nanoteilchen (MNT) können jedoch als Dipolstreuer genutzt werden, um so die Emission der LED zu vergrößern. In dieser Arbeit wurden zunächst einzelne Goldnanoteilchen verschiedener Größe auf einer solchen Leuchtdiode in zwei verschiedenen Umgebungsmedien untersucht. Dabei zeigt sich eine deutliche Verstärkung der Emission, falls die Dipolresonanz des MNT bei kürzeren Wellenlängen im Vergleich zur LED-Emission liegt. Für den Fall, dass die Dipolresonanz mit der Emission überlappt oder bei größeren Wellenlängen liegt, kommt es zu einer Abschwächung. Numerische Berechnungen zeigen, dass dabei die Stärke der Quadrupolmode, welche zusätzliche Absorption hervorruft, sowie eine Rotverschiebung der Dipolresonanz bei Anregung oberhalb des kritischen Winkels der Totalreflexion eine entscheidende Rolle spielen. Mit Hilfe einer speziellen Maskentechnik, der Fischer-Pattern-Nanolithographie, können Arrays von MNT hergestellt und anschließend die MNT in Form und Größe manipuliert werden. Die zunächst dreieckige Form der Partikel führt zu einer Abschwächung der Emission, welche sich aber durch Umwandlung der MNT in Kugeln zu einer Emissionsverstärkung wendet. Dabei kann Licht, welches sonst im Substrat gefangen wäre, durch plasmonische Streuung ausgekoppelt werden. Eine Untersuchung ähnlicher Strukturen auf einem hochbrechenden, transparenten Substrat (GaP) zeigt, dass die Lage der plasmonischen Resonanzen stärker vom Abstand der Partikel abhängt, als gewöhnlich zu erwarten wäre.:1 Eigenschaften metallischer Nanoteilchen 2 Untersuchung der Lichtauskopplungsverstärkung einzelner Metalnanoteilchen auf der LED 3 Regelmäßig angeordnete metallische Nanoteilchen - Herstellung und Verstärkungseigenschaften 4 Manipulation der Größe metallischer Nanopartikel 5 Eigenschaften eines Arrays metallischer Nanopartikel auf einem hochbrechenden Substrat 6 Abschlussdiskussion / The external quantum efficiency of light-emitting diodes (LEDs) based on AlGaAs/InGaAlP is limited by total internal reflection because of the high refractive index (typically between 3 and 4) of the semiconductor. Metal nanoparticles (MNP) deposited on the surface of the LED can be used as dipole scatterers in order to enhance the emission of the LED. In this thesis, first, single gold nanoparticles of various sizes deposited on such an LED were investigated. A clear enhancement is detected as long as the dipole plasmon resonance of the particle is at a shorter wavelength than the LED emission. If the plasmon resonance coincides with the LED emission or is at a larger wavelength, the enhancement turns into suppression. Numerical simulations indicate that this latter effect is mainly caused by the particle quadrupole resonance producing extra absorption. Arrays of MNPs can be produced by a special mask technique called \"Fischer pattern nanolithography\" and manipulated in shape and size by additional steps. Originally, the MNPs produced by this technique are triangular in shape and turn out to suppress the LED emission. After transformation of the particles to spheres, a clear enhancement was detected. Light that would otherwise remain trapped inside the substrate is coupled out by resonant plasmonic scattering. Investigations on analogous structures on a transparent high-index material (GaP) indicate a stronger coupling between the particles than expected on the basis of literature data.:1 Eigenschaften metallischer Nanoteilchen 2 Untersuchung der Lichtauskopplungsverstärkung einzelner Metalnanoteilchen auf der LED 3 Regelmäßig angeordnete metallische Nanoteilchen - Herstellung und Verstärkungseigenschaften 4 Manipulation der Größe metallischer Nanopartikel 5 Eigenschaften eines Arrays metallischer Nanopartikel auf einem hochbrechenden Substrat 6 Abschlussdiskussion

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

Diese Arbeit beinhaltet experimentelle und theoretische Untersuchungen der optischen Frequenzverdopplung (second-harmonic generation, kurz SHG) an metallischen Nanopartikeln. Frequenzverdopplung bedeutet, daß ein bei der Frequenz omega angeregtes Nanopartikel Strahlung der Frequenz 2*omega emittiert. Dieser Effekt tritt nicht nur in Materialien mit nichtzentrosymmetrischer Kristallstruktur, sondern auch an der Oberfläche von Metallen auf. Deshalb läßt er sich gut mit plasmonischen Feldüberhöhungen an metallischen Nanoantennen verbinden. Die Frequenzverdopplung wird an verschiedenen Nanostrukturen wie dreieckförmigen, stäbchenförmigen und vor allem kegelförmigen Nanopartikeln experimentell untersucht, welche aufgrund ihrer scharfen Spitzen starke SHG-Signale emittieren. Besonders die Kegel sind interessant: Bei Anregung mit einem fokussierten, radial polarisierten Strahl dominiert je nach Kegelgröße und Umgebungsmedium ein SHG-Signal entweder von der Spitze oder von der Bodenkante des Kegels. Diese an den Kegeln gemessenen Resultate werden durch theoretische Untersuchungen untermauert. In diesen Rechnungen werden die plasmonischen Feldüberhöhungen und die sich daraus ergebende Frequenzverdopplung für einen Kegel mit verschiedenen Parametern modelliert. An einem einzelnen Kegel gewonnene Resultate werden auch mit den Fällen eines kugelförmigen und eines stäbchenförmigen Partikels verglichen. Ein weiterer Gegenstand der theoretischen Untersuchungen ist die Superposition der zweiten Harmonischen von mehreren emittierenden Nanopartikeln zu einem Feldmaximum. Dabei wird eine kreisförmige Anordnung von 8 Nanostäbchen bzw. Nanokegeln von einer radial polarisierten Mode angeregt. Die Superposition der emittierten zweiten Harmonischen ergibt ein Feldmaximum innerhalb der Anordnung der Emitter. Durch eine Verkippung des anregenden Strahls kann dieser Fokus im Raum bewegt werden. Letztere Untersuchung ist insbesondere interessant im Hinblick auf lokalisierte photochemische Reaktionen, die durch das frequenzverdoppelte Licht von Nanopartikeln ausgelöst werden sollen. Mit chemischen Substanzen, die bei omega transparent, bei 2*omega aber photoreaktiv sind, wäre im Nahfeld dieser Nanoantennen eine starke Lokalisierung der Reaktion auf Bereiche kleiner als 100~nm möglich. Anhand von Photolacken und Polymermatrizen mit diesen Eigenschaften wird experimentell untersucht, ob frequenzverdoppeltes Licht überhaupt solche Reaktionen auslösen kann oder ob die photochemische Reaktionen überwiegend durch direkte Zwei-Photonen-Absorption des anregenden Lichts ausgelöst werden. Die Ergebnisse zeigen allerdings, daß die Zwei-Photonen-Absorption dominant ist. Durch die Zwei-Photonen-Absorption im Nahfeld von Partikeln ist aber dennoch eine vergleichbare Lokalisierung der Reaktion möglich.:1. Einführung 1.1 Frequenzverdopplung an Nanopartikeln 1.2 Photochemisches Schreiben auf kleinen Längenskalen 2. Theoretische Grundlagen 2.1 Nichtlineare optische Effffekte zweiter Ordnung 2.2 Frequenzverdopplung in Metallen 2.3 Frequenzverdopplung bei metallischen Nanopartikeln 2.4 Überlagerung der Strahlung mehrerer frequenzverdoppelter Dipole 2.5 Core-Shell-Nanopartikel mit nichtzentrosymmetrischem Kern 3. Experimenteller Aufbau 3.1 Beleuchtung der Proben und Detektionspfad 3.2 Objektiv und Probenhalter 3.3 Realisierung der radial polarisierten Mode 4. Messungen der zweiten Harmonischen an Nanostrukturen 4.1 Einzelne kugel- und stäbchenförmige Goldnanopartikel 4.2 Nanodreiecke (Fischer-Pattern) 4.3 Nanokegel 4.4 Nanostäbchen-Teppiche 4.5 Zusammenfassung 5. Nichtlinear-optisches photochemisches Schreiben auf kleinen Längenskalen 5.1 Photochemische Reaktionen auf der Sub-100nm-Skala 5.2 Erste Versuche an Photolacken 5.3 Photochemisches Schreiben auf azobenzolhaltigen PMMA-Copolymerschichten 5.4 Photochemisches Schreiben auf azosulfonathaltigen PMMA-Copolymerschichten 5.5 Ausblick 6. Zusammenfassung und Ausblick Anhang A. Darstellung der radialen Mode und des z-polarisierten Fokus B. Mehode der multiplen Multipole (MMP) C. Präparation der Proben Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Verzeichnis der Tabellen Verwendete Abkürzungen Liste der Veröffffentlichungen Danksagung Erklärung / This work includes experimental and theoretical investigations of second-harmonic generation (SHG) at metallic nanoparticles. SHG means that a nanoparticle that is excited at the frequency omega emits radiation at the frequency 2*omega. SHG does not only occur in materials with noncentrosymmetric structure, but also on metal surfaces. Hence, SHG can be combined well with plasmonic field enhancement at metallic nanoantennae. SHG is investigated experimentally at different nanostructures such as triangle-like, rod-like and especially cone-like nanoparticles. With their sharp tips these structures show a much stronger SHG signal than spherical nanoparticles. Especially the cones are interesting: Excited with a focused radially polarized beam, for different cone sizes and in different surrounding media either the signal from the tip or the signal from the bottom edge dominates. The measurement results from the cones are underpinned by theoretical investigations. In these calculations the plasmonic field enhancements and the resulting SHG are modeled for a cone with different parameters. The single-cone results are also compared with the cases of a spherical or rod-shaped particle. A further subject of the theoretical investigations is the superposition of the SHG radiation from a number of emitting nanoparticles to a field maximum. For that, a circular arrangement of 8 nanorods or nanocones is excited by a radially polarized beam. The superposition of the second-harmonic radiation fields yields a field maximum in the space between the emitters. A tilt of the exciting beam can move this focus in space. The latter item is of special interest concerning localised photochemical reactions induced by the second-harmonic light from nanoparticles. In the near field of these nanoantennae, a strong localisation of the reaction on regions smaller than 100 nm would be possible by using chemical substances being transparent at omega, but photoreactive at 2*omega. With photoresists and polymer matrices, experiments are carried out to investigate whether SHG light can trigger such reactions at all, or if these photochemical reactions are triggered predominantly by direct two-photon absorption of the exciting light. The results show that the two-photon absorption is the dominant process. Yet, through two-photon absorption in the near field of particles, the localisation of the reaction is still similar.:1. Einführung 1.1 Frequenzverdopplung an Nanopartikeln 1.2 Photochemisches Schreiben auf kleinen Längenskalen 2. Theoretische Grundlagen 2.1 Nichtlineare optische Effffekte zweiter Ordnung 2.2 Frequenzverdopplung in Metallen 2.3 Frequenzverdopplung bei metallischen Nanopartikeln 2.4 Überlagerung der Strahlung mehrerer frequenzverdoppelter Dipole 2.5 Core-Shell-Nanopartikel mit nichtzentrosymmetrischem Kern 3. Experimenteller Aufbau 3.1 Beleuchtung der Proben und Detektionspfad 3.2 Objektiv und Probenhalter 3.3 Realisierung der radial polarisierten Mode 4. Messungen der zweiten Harmonischen an Nanostrukturen 4.1 Einzelne kugel- und stäbchenförmige Goldnanopartikel 4.2 Nanodreiecke (Fischer-Pattern) 4.3 Nanokegel 4.4 Nanostäbchen-Teppiche 4.5 Zusammenfassung 5. Nichtlinear-optisches photochemisches Schreiben auf kleinen Längenskalen 5.1 Photochemische Reaktionen auf der Sub-100nm-Skala 5.2 Erste Versuche an Photolacken 5.3 Photochemisches Schreiben auf azobenzolhaltigen PMMA-Copolymerschichten 5.4 Photochemisches Schreiben auf azosulfonathaltigen PMMA-Copolymerschichten 5.5 Ausblick 6. Zusammenfassung und Ausblick Anhang A. Darstellung der radialen Mode und des z-polarisierten Fokus B. Mehode der multiplen Multipole (MMP) C. Präparation der Proben Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Verzeichnis der Tabellen Verwendete Abkürzungen Liste der Veröffffentlichungen Danksagung Erklärung

This thesis treats the optical properties of mixed mineral dust and biomass burning aerosol in the thermal infrared (TIR) based on Fourier Transform infrared spectrometer (FTIR) measurements and radiative transfer simulations. The measurements were part of the Saharan Mineral Dust Experiment 2 (SAMUM-2) conducted from January to February 2008 at Praia, Cape Verde. The large amount of different instruments co-located at the main field site during the campaign resulted in a unique dataset comprising in-situ information and remote sensing data perfectly suited for column closure studies. The ultimate goal of this work is to investigate the consistency of microphysical and TIR remote sensing data. This is achieved by reproducing the measured radiances at top and bottom of the atmosphere (TOA, BOA) with a radiative transfer model, which assimilates the microphysical aerosol information gathered during SAMUM-2. The first part of the thesis describes several experimental efforts, including a novel calibration method and a drift correction algorithm for the ground-based FTIR instrument operated within the scope of SAMUM-2 by the author. The second part introduces the concurrent radiative transfer library PIRATES, which has been developed in the framework of this thesis for the analysis of TIR aerosol optical properties. The third and final part of the treatise compares measured and simulated spectra for various typical scenarios encountered during SAMUM-2. It is demonstrated in three case studies, that measured radiances in the TIR atmospheric window region (8-12 µm) can be reproduced at BOA and TOA by radiative transfer simulations assuming spheroidal model particles. Moreover, spherical particles are shown to be an inadequate model for mineral dust aerosol in this spectral region unless the aerosol optical depth is small.

Sources of single and polarization-entangled photons are an essential component in a variety of potential quantum information applications. Suitable emitters need to generate photons deterministically and at fast repetition rates, with highest degrees of single-photon purity, entanglement and indistinguishability. Semiconductor quantum dots are among the leading candidates for this task, offering entangled-photon pair emission on-demand, challenging current state-of-the-art sources based on the probabilistic spontaneous parametric down-conversion (SPDC). Unfortunately, their susceptibility to perturbations from the solid-state environment significantly affects the photon coherence and entanglement degree. Furthermore, most quantum dot types suffer from poor wavelength control and emitter yield, due to a random growth process. This thesis investigates the emerging family of GaAs/AlGaAs quantum dots obtained by in-situ Al droplet etching and nanohole infilling. Particular focus is laid on the interplay of growth parameters, quantum dot morphology and optical properties. An unprecedented emission wavelength control with distributions as narrow as ± 1 nm is achieved, using four independent growth parameters: The GaAs infilling amount, the deposition sequence, the migration time and the Al concentration in the barrier material. This enables the generation of large emitter ensembles tailored to match the optical transitions of rubidium, a leading quantum memory candidate. The photon coherence is enhanced by an optimized As flux during the growth process using the GaAs surface reconstruction. With these improvements, we demonstrate for the first time two-photon interference from separate, frequency-stabilized quantum dots using a rubidium-based Faraday filter as frequency reference. Two-photon resonant excitation of the biexciton state is employed for the coherent and deterministic generation of photon pairs with negligible multi-photon emission probability. The GaAs/AlGaAs quantum dots exhibit a very small average fine structure of (4.8 ±2.4) µeV and short average radiative lifetimes of 200 ps, enabling entanglement fidelities up to F = 0.94, which are among the highest reported for any entangled-photon source to date. Furthermore, almost all fabricated emitters on a single wafer exhibit fidelities beyond the classical limit - without any post-growth tuning. By embedding the quantum dots into a broadband-optical antenna we enhance the photon collection efficiency significantly without impairing the high degrees of entanglement. Thus, for the first time, quantum dots are able to compete with SPDC sources, paving the way towards the realization of a semiconductor-based quantum repeater - among many other key enabling quantum photonic elements.:Contents List of Figures ix List of Tables xiii 1 Introduction 1 1.1 Researchmotivation ...................1 1.1.1 Structure of this thesis ................. 3 1.2 Applications based on entangled photons ............. 4 1.2.1 Quantum bits ...................4 1.2.2 Quantum key distribution ................ 5 1.2.3 Qubit teleportation .................. 7 1.2.4 Teleportation of entanglement ..............9 1.2.5 The photonic quantumrepeater .............. 10 1.3 Generation of entangled photons ...............12 1.3.1 The ideal entangled-photon source ............. 12 1.3.2 Non-deterministic photon sources ............. 13 1.3.3 Deterministic photon sources ..............14 2 Fundamentals 17 2.1 Semiconductor quantumdots ................17 2.1.1 Introduction to semiconductor quantum dots .......... 17 2.1.2 Formation of confined excitonic states ............ 19 2.1.3 Energy hierarchy of excitonic states ............. 21 2.2 Entangled photons from semiconductor quantumdots ......... 22 2.2.1 The concept of entanglement ............... 22 2.2.2 Polarization-entangled photon pairs fromthe biexciton radiative decay .. 23 2.2.3 Origin and impact of the exciton fine structure splitting ....... 25 2.2.4 Impact of spin-scattering, dephasing and background photons on the degree of entanglement ..................29 2.3 Quantum dot entangled-photon sources - State of the art ........32 2.4 Exciton radiative lifetime .................. 34 2.4.1 The concept of radiative lifetime .............. 34 2.4.2 Measurement of the radiative lifetime ............35 2.5 Single-photon purity ...................37 2.5.1 Photon number distributions ............... 37 2.5.2 Second-order correlation function .............38 2.5.3 Measurement of the second-order correlation function ....... 40 2.6 Measurement of entanglement ................42 2.6.1 Quantum state tomography ...............43 2.7 Photon coherence and spectral linewidth .............46 2.7.1 The concept of coherence ................ 46 2.7.2 First-order coherence ................. 46 2.7.3 Relation between coherence and spectral linewidth ........ 49 2.7.4 homogeneous vs. inhomogeneous broadening in single quantumdots ..50 2.8 Photon indistinguishability .................51 2.8.1 Hong-Ou-Mandel interference ..............51 2.8.2 Hong-Ou-Mandel interference between photons fromseparate sources .. 52 2.8.3 The Bell state measurement with linear optics .......... 53 3 Experimentalmethods 55 3.1 The GaAs and AlAs material system ............... 55 3.2 Molecular beam epitaxy ..................56 3.2.1 The Concept of molecular beam epitaxy ...........56 3.2.2 Layout and components of the III-V Omicron MBE ........58 3.2.3 Growth parameters .................. 59 3.2.4 Reflection high-energy electron diffraction (RHEED) ........ 60 3.2.5 Growth rate determination using RHEED oscillations .......61 3.3 Optical setups .....................63 4 Results 67 4.1 Growth of GaAs/AlGaAs quantum dots by in-situ Al droplet etching .....68 4.1.1 Motivation for the study of GaAs / AlGaAs quantum dots ......68 4.1.2 GaAs / AlGaAs quantum dot growth process ..........69 4.1.3 Interplay between growth parameters, quantumdot morphology and optical properties ................. 71 4.1.4 Nanohole morphology and quantumdot formation ........ 73 4.1.5 Optical characterization ................75 4.1.6 Deterministic wavelength control .............77 4.1.7 Photon coherence and radiative lifetime ...........84 4.1.8 Decoherence processes in semiconductor quantum dots ......86 4.1.9 Chamber conditioning and growth process optimization ......87 4.1.10 Arsenic flux calibration using the GaAs surface reconstruction ..... 88 4.1.11 Enhanced photon coherence after growth process adjustments ....92 4.2 Two-photon interference from frequency-stabilized GaAs/AlGaAs quantum dots .................94 4.2.1 Frequency tuning of semiconductor quantumdots ........95 4.2.2 Experimental setup .................. 95 4.2.3 Optical characterization of the separate GaAs/AlGaAs quantum dots ... 98 4.2.4 Faraday anomalous dispersion optical filter and frequency feedback ... 99 4.2.5 Two-photon interference between remote, frequency-stabilized quantum dots 100 4.3 Solid-state ensemble of highly entangled photon sources at rubidiumatomic transitions ........................102 4.3.1 Fine-structure splitting ................103 4.3.2 Resonant excitation of the biexciton state ...........105 4.3.3 Single photon purity and radiative lifetime ........... 107 4.3.4 Radiative lifetime of GaAs/AlGaAs quantumdots - comparison to other quantumdot types ...................108 4.3.5 Degree of entanglement ................109 4.3.6 Highly-efficient extraction of the obtained entangled photons ..... 116 5 Conclusions 119 5.1 Summary ....................... 119 5.2 Discussion and outlook ..................122 Bibliography 127 Publications and scientific presentations 150 Acknowledgments 154 Selbstständigkeitserklärung 157 Curriculum vitae 157