Halbleiterlaser stellen mit über 70% Wirkungsgrad einzigartig effiziente Lichtquellen dar. Dennoch ist ihre zuverlässige Nutzung, insbesondere im Bereich hoher Leistungsdichten, von thermischen Limitierungen geprägt. Einen grundlegenden Beitrag zu deren physikalischen Verständnis leistet die Analyse der thermischen Eigenschaften und Degradationsprozesse solcher Bauelemente. In dieser Arbeit wird hierzu die Thermographie als innovative Analysemethode untersucht. Das Plancksche Strahlungsgesetz erlaubt die radiometrische Ermittlung der Temperatur. Die wichtige physikalische Kenngröße Emissivität wird in dieser Arbeit für Halbleiter und Halbleiterlaserstrukturen spektral gemessen und auf fundamentale physikalische Eigenschaften zurückgeführt. Auf dieser Grundlage werden methodische Aspekte der Thermographie diskutiert, welche durch den thermischen Hintergrund und die teilweise Transparenz der Halbleitermaterialien geprägt sind. Die daraus folgenden analytischen Fähigkeiten erlauben unter anderem die orts- und zeitaufgelöste Bestimmung der thermischen Eigenschaften von komplexen Hochleistungslasern unterschiedlichster Bauart. Darüber hinaus ermöglicht die Kenntnis der beteiligten thermischen Zeitkonstanten die Extraktion von lokalen Überhöhungen in der Infrarotemission, deren Zusammenhang zur Degradation der Bauelemente untersucht wird. Eine grundsätzliche Begrenzung der Ausgangsleistung ist durch einen abrupten Degradationsprozess gegeben, welcher maßgeblich durch eine Reabsorption der Laserstrahlung an der Frontfacette verursacht wird. Mithilfe einer kombinierten Thermographie-Nahfeld-Messung wird dieser Prozess orts- und zeitaufgelöst analysiert. Die Erweiterung des Messfensters zu kürzeren Wellenlängen hin erlaubt die Detektion strahlender Übergänge unter Einbeziehung von Defektzentren welche als strahlende Signaturen von graduellen Degradationsprozessen aufzufassen sind. / Semiconductor lasers are unequaled efficient light sources, reaching efficiencies of more than 70%. Nevertheless, thermal limits govern their reliable application, in particular in the field of high power densities. The analysis of thermal properties and degradation processes in such devices contributes essentially to the understanding of these limits. This work exploits thermography as an innovative analytical technique for such purpose. Planck''s law allows for a radiometric detection of temperatures. In this work, the important physical parameter emissivity is measured spectrally resolved for both semiconductors and semiconductor laser structures and is related to fundamental physical properties. Based on that, methodological aspects are discussed, which are affected on the one hand by the omnipresent thermal radiation and on the other hand by the partial transparency of the semiconductor materials. The resulting analytical capacities allow, for instance, for the determination of the thermal properties of complex high-power lasers of a wide range of different designs in a spatio-temporally resolved fashion. Furthermore, does the knowledge of the involved thermal time constants allow for an extraction of localized peaks of the infrared emission that is analyzed for its relationship with device degradation. The output power of high-power devices is fundamentally limited by the catastrophic optical damage, an abrupt degradation process that is induced significantly by reabsorption of laser radiation at the front facet. This process is analyzed spatio-temporally resolved with help of a combined thermography and optical near-field technique. Extending the detection range down to shorter wavelengths allows for imaging of radiative transitions that are related to defect centers, which are interpreted as radiative signatures of gradual device degradation processes.

Silizium (Si) wird für eine breite Palette von Anwendungen wie z.B. in Solarzellen, Mikroelektronik, Biochips und so weiter eingesetzt. In dieser Arbeit wurden neue Hybridsysteme aus Si und organischen Molekülen, bezüglich der Oberflächenpassivierung des Halbleiters und der resultierenden elektronischen Eigenschaften untersucht. Insbesondere wurden Methyl-Gruppen (CH3 und CD3), Ethynyl-Derivate (H−C≡C-, CH3−C≡C-, und C6H5−C≡C-), sowie Pyrrol und Thiophen aus Grignardlösungen untersucht. Bezüglich Stabilität und Defektkonzentration konnte gezeigt werden, dass organisch modifizierte Si-Oberflächen eine höhere Stabilität an Luft haben als Standard wasserstoffpassivierte Si-Oberflächen und dabei eine nur geringfügig höhere Defektkonzentration aufweisen. Untersuchungen mit Infrarot Spektroskopischer Ellipsometrie (IRSE) und Synchrotron Röntgen Photoemissions Spektroskopie (SXPS) zeigen, dass die Oxidationsrate für Oberflächen mit CH3-Terminierung stark reduziert ist. In der vorliegenden Arbeit gelang es erstmalig mittels IRSE die charakteristische „Umbrella“-Schwingungsmode zu beobachten und SXPS Messungen zeigten die Spin-Orbit-Aufspaltung der Si 2p Emission für CH3-passivierte Si-Oberflächen. Die CH3-Gruppen besitzen einen hohen Grad von Ordnung auf der Si(111)-Oberfläche. Das Aufbringen von Ethynyl-Derivaten führt zu extrem dünnen polymerisierten Schichten auf Si durch elektrochemische Radikaloxidation der C≡C Dreifachbindung. Diese Schichten sind homogen und haften sehr gut an der Si-Oberfläche. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Abscheidung von Ethynyl-Derivaten vom Typ des Halogenatoms im Grignard-Precursor abhängig ist, wobei Br im Vergleich zu Cl zu geringeren Rekombinationsgeschwindigkeiten an der Polymer/Si-Grenzfläche führen. Eine Änderung der Austrittsarbeit von bis zu 0.5 eV und der Bandverbiegung von bis zu 0.24 eV wurde nach der Abscheidung dieser Moleküle gemessen. Diese elektronischen Eigenschaften hängen linear vom Oberflächendipol ab. / Organic functionalization of silicon (Si) surfaces has received a tremendous interest in the development of organic/semiconductor hetero-structures for plenty of potential applications from microelectronics, molecular electronics, photovoltaics to bio-applications. In this thesis, tailoring of the electronic properties and passivation properties of such organic hetero-structures have been investigated. Direct grafting of organic layers like methyl groups (CH3 and CD3), ethynyl derivatives (H−C≡C-, CH3−C≡C-, and C6H5−C≡C-), and heterocyclic molecules (pyrrole and thiophene) onto Si(111) surfaces have been performed in a one-step electrochemical process by anodic treatment in Grignard electrolytes. Organically modified Si surfaces show low interface recombination rates as measured by photoluminescence technique and reveal also a much better passivation with respect to stability in ambient air than H-terminated Si surfaces. Grafting of ethynyl derivatives and heterocyclic molecules lead to the formation of ultrathin polymeric layers, where the thickness depends on charge flow applied to the Si electrode, while methyl groups lead to a monolayer on Si(111) surfaces. Only a very small amount of oxidation states of Si has been observed by infrared spectroscopic ellipsometry (IRSE) and synchrotron X-ray photoemission spectroscopy (SXPS). For the first time, IRSE and SXPS measurements reveal the “umbrella” vibrational mode characteristic from methyl groups and a well-defined spin-orbit splitting of the Si 2p core level emission, respectively, in the case of methylated Si(111) surfaces. For all ethynyl derivatives, high-resolution SXPS investigations reveal the incorporation of halogen atoms in the organic layers obtained. Thereby, exchanging Br for Cl in the Grignard compound leads to lower interface recombination rates at the polymer/Si interface. A shift in work function and surface band bending of up to 0.5 and 0.24 eV has been observed, respectively. The electronic properties reveal a linear relation between the work function and the surface dipole.

In this thesis the optical method of Near-Infrared-Spectroscopy (NIRS) is evaluated with regards to its capability of non-invasive detection of Leão´s cortical spreading depression (CSD) and spontaneous peri-infarct-depolarizations (PID). With the NIR-spectrometer NIRO 500 (Hamamatsu, Japan) regional cerebral oxy-genation (rCBO) changes were measured during CSD in 9, and during PID in 10 barbiturate anesthatized rats. The method if NIRS that relies on oxygen-dependent absorption changes of hemo-globin and cytochrome oxydase as well as the high penetrability of biologic tissues for light in the range between 700 and 1000 nm proved suitable to detect and to distinguish both CSD and PID experimentally. This distinction relies on the robust decrease of deoxy- and increase of oxyhemo-globin concentrations (i.e. a relative hyperoxemia) during CSD while PID is cha-racterized by an initial increase of deoxy- and decrease of oxyhemoglobin (relative hypooxemia). Despite the profound anatomical differences between gyrencephalic humans and lyssencephalic rats, the observed patterns of rCBO changes may guide the inter-pretation of future NIRS measurements in patients with migraines with aura (CSD) or stroke (PID). However, for concentration changes of oxydized cytochrome aa3 with its low con-centration compared to the hemoglobins, the pathophysiological interpretation of the data obtained with NIRO 500 is confounded by the limits of attenuation mea-surements at only four wavelengths. A validation of the cytochrome oxydase signal and an improved quantification of all concentration changes is highly desirable and may be achieved by employment of a continuous-wavelength device measuring the full spectral range of the near infrared. It would also allow to measure the mean optical pathlength in the highly scattering tissue and to correct for its physiologically occuring changes e.g. by measurements at the water absorption peak. Similar improvements would enhance the value of the method for further physiolo-gical and pathophysiological studies because NIRS provides the unique opportu-nity to obtain simultaneous data on blood oxygenation as well as the redox state of the mitochondrial cytochrome oxydase.

Diese Arbeit untersucht den Einfluss verschiedener physikalischer Parameter auf das Verhalten von Frequenz-abstimmbaren External-Cavity Quantenkaskadenlasern (EC-QCLs) theoretisch und experimentell. Diese beinhalten unter anderen die Antireflexschicht, die Art der Optiken, die geometrischen und die mechanisch/strukturellen Eigenschaften. Dies wurde erreicht durch Aufbau dreier sehr unterschiedlicher EC-Konfigurationen, der Diskussion und dem Vergleich ihrer Leistungsmerkmale und ihrer Vor- und Nachteile für verschiedene Anwendungen unter hauptsächlicher Verwendung von QCLs desselben Wafers der Vergleichbarkeit wegen. Für den letzten Teil dieser Arbeit wurde ein neuer Typus EC-QCL mit vielversprechenden Eigenschaften entwickelt, sodass wir glauben er hat das Potential das Littrow Design langfristig abzulösen. Dieses selbststabilisierende Design verwendet einen Retroreflektor als externen Reflektor. Für die Demonstration dieses Konzepts war die Entwicklung eines Tuning-Elements in Form eines Winkel-verstimmbaren Mittinfrarot-Bandpass-Interferenzfilters mit sehr hohem Gütefaktor vonnöten. Für das Design des Filters wurden Materialien mit sehr strengen Toleranzen bezüglich ihrer physikalischen und optischen Eigenschaften auf Basis von theoretischen Überlegungen ausgewählt und eine Fabrikationsmethode mit hochoptimierten Prozessparametern entwickelt. Die ersten Filter auf Basis von Yttriumfluorid/Yttriumoxid/Germanium/Silizium haben eine Transmissionsbandbreite von 0.14% der Zentralwellenlänge und eine maximale Transmission von etwa 60%. Die EC Konfiguration resultierte in verminderter Empfindlichkeit gegenüber Mechanischen Störungen des Reflektors um zwei Größenordnungen. Das Design behebt die grundsätzliche Limitierung des Littrow Designs bezüglich Miniaturisierung, da kein großer Strahldurchmesser vonnöten ist um kleine Bandbreiten des Littrowgitters zu erreichen. / This thesis thoroughly investigates theoretically and experimentally the effects many physical parameters have on the performance of Tunable External-Cavity Quantum-Cascade Lasers (EC-QCLs). These include, among others, the anti-reflection coating, the type of optics, and the geometrical as well as mechanical and structural properties of the EC setup. This was done by assembling three very different EC setups and comparing and discussing their performance, as well as advantages and disadvantages for different purposes using mainly QCLs from the same original wafer for better comparability. For the last part of this thesis, a new type of EC-QCL configuration was developed with properties so promising that we believe it has the potential to replace the Littrow Cavity in the long term. This is an alignment-stabilized and interference filter-tuned design using a retroreflector as the external reflector. For the demonstration of this concept, development of the tuning element in the form of an angle-tunable high-Q mid-infrared bandpass filter was necessary. For the design of the filter, materials with very strict tolerances on the physical and optical properties were selected from theoretical considerations and a fabrication method with highly optimized process parameters was developed. The first filters on the basis of yttrium fluoride/yttrium oxide/germanium/silicon have a transmission bandwidth of 0.14% of the central wavelength and a peak transmission of approximately 60%. The EC configuration resulted in a sensitivity reduction to mechanical perturbations of the reflector by two orders of magnitude, with a calculated potential for three orders of magnitude using optimized optics. This design lifts the fundamental constraint on miniaturization imposed on the Littrow design that requires large beam diameters to ensure a small bandwidth of the Littrow grating.

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Les galaxies sont des sondes observationnelles pour l'étude des structures de l'Univers. Leur mouvement gravitationnel permet de tracer la densité totale de matière. Par ailleurs, l'étude de la formation des structures et galaxies s'appuie sur les simulations numériques cosmologiques. Cependant, un seul univers observable à partir d'une position donnée, en temps et espace, est disponible pour comparaison avec les simulations. La variance cosmique associée affecte notre capacité à interpréter les résultats. Les simulations contraintes par les données observationnelles constituent une solution optimale au problème. Réaliser de telles simulations requiert les projets Cosmicflows et CLUES. Cosmicflows construits des catalogues de mesures de distances précises afin d'obtenir les déviations de l'expansion. Ces mesures sont principalement obtenues avec la corrélation entre la luminosité des galaxies et la vitesse de rotation de leur gaz. La calibration de cette relation est présentée dans le mi-infrarouge avec les observations du télescope spatial Spitzer. Les estimations de distances résultantes seront intégrées au troisième catalogue de données du projet. En attendant, deux catalogues de mesures atteignant 30 et 150 h−1 Mpc ont été publiés. Les améliorations et applications de la méthode du projet CLUES sur les deux catalogues sont présentées. La technique est basée sur l'algorithme de réalisation contrainte. L'approximation de Zel'dovich permet de calculer le champ de déplacement cosmique. Son inversion repositionne les contraintes tridimensionnelles reconstruites à l'emplacement de leur précurseur dans le champ initial. La taille inégalée, 8000 galaxies jusqu'`a une distance de 150 h−1 Mpc, du second catalogue a mis en évidence l'importance de minimiser les biais observationnels. En réalisant des tests sur des catalogues de similis, issus des simulations cosmologiques, une méthode de minimisation des biais peut être dérivée. Finalement, pour la première fois, des simulations cosmologiques sont contraintes uniquement par des vitesses particulières de galaxies. Le procédé est une réussite car les simulations obtenues ressemblent à l'Univers Local. Les principaux attracteurs et vides sont simulés à des positions approchant de quelques mégaparsecs les positions observationnelles, atteignant ainsi la limite fixée par la théorie linéaire / Galaxies are observational probes to study the Large Scale Structure. Their gravitational motions are tracers of the total matter density and therefore of the Large Scale Structure. Besides, studies of structure formation and galaxy evolution rely on numerical cosmological simulations. Still, only one universe observable from a given position, in time and space, is available for comparisons with simulations. The related cosmic variance affects our ability to interpret the results. Simulations constrained by observational data are a perfect remedy to this problem. Achieving such simulations requires the projects Cosmicflows and CLUES. Cosmicflows builds catalogs of accurate distance measurements to map deviations from the expansion. These measures are mainly obtained with the galaxy luminosity-rotation rate correlation. We present the calibration of that relation in the mid-infrared with observational data from Spitzer Space Telescope. Resulting accurate distance estimates will be included in the third catalog of the project. In the meantime, two catalogs up to 30 and 150 h−1 Mpc have been released. We report improvements and applications of the CLUES’ method on these two catalogs. The technique is based on the constrained realization algorithm. The cosmic displacement field is computed with the Zel’dovich approximation. This latter is then reversed to relocate reconstructed three-dimensional constraints to their precursors’ positions in the initial field. The size of the second catalog (8000 galaxies within 150 h−1 Mpc) highlighted the importance of minimizing the observational biases. By carrying out tests on mock catalogs, built from cosmological simulations, a method to minimize observational bias can be derived. Finally, for the first time, cosmological simulations are constrained solely by peculiar velocities. The process is successful as resulting simulations resemble the Local Universe. The major attractors and voids are simulated at positions approaching observational positions by a few megaparsecs, thus reaching the limit imposed by the linear theory / Die Verteilung der Galaxien liefert wertvolle Erkenntnisse über die großräumigen Strukturen im Universum. Ihre durch Gravitation verursachte Bewegung ist ein direkter Tracer für die Dichteverteilung der gesamten Materie. Die Strukturentstehung und die Entwicklung von Galaxien wird mithilfe von numerischen Simulationen untersucht. Es gibt jedoch nur ein einziges beobachtbares Universum, welches mit der Theorie und den Ergebnissen unterschiedlicher Simulationen verglichen werden muß. Die kosmische Varianz erschwert es, das lokale Universum mit Simulationen zu reproduzieren. Simulationen, deren Anfangsbedingungen durch Beobachtungsdaten eingegrenzt sind (“Constrained Simulations”) stellen eine geeignete Lösung dieses Problems dar. Die Durchführung solcher Simulationen ist das Ziel der Projekte Cosmicflows und CLUES. Im Cosmicflows-Projekt werden genaue Entfernungsmessungen von Galaxien erstellt, welche die Abweichung von der allgemeinen Hubble- Expansion abbilden. Diese Messungen werden hauptsächlich aus der Korrelation zwischen Leuchtkraft und Rotationsgeschwindigkeit von Spiralgalaxien gewonnen. In dieser Arbeit wird die Kalibrierung dieser Beziehung im mittleren Infrarot mithilfe von Daten vom Spitzer Space Telescope vorgestellt. Diese neuen Entfernungsbestimmungen werden im dritten Katalog des Cosmicflows Projekts enthalten sein. Bisher wurden zwei Kataloge veröffentlicht, mit Entfernungen bis zu 30 beziehungsweise 150 h−1 Mpc. In dieser Arbeit wird die CLUESMethode auf diese zwei Kataloge angewendet und Verbesserungen warden vorgestellt und diskutiert. Zunächst wird das kosmische Verschiebungsfeld mithilfe der Zeldovich-Näherung bestimmt. In umgekehrter Richtung kann man damit die aus heutigen Beobachtungsdaten rekonstruierten dreidimensionalen Constraints an ihren Ursprungsort im frühen Universum zurückzuversetzen. Durch den großen Datenumfang des cosmicflows-2 Katalogs (8000 Galaxien bis zu einer Entfernung von 150 h−1 Mpc) ist es besonders wichtig, den Einfluss verschiedener Beobachtungsfehler zu minimieren. Eine für das lokale Universum angepasste Korrekturmethode lässt sich durch die Untersuchung von Mock-Katalogen finden, welche aus kosmologischen Simulationen gewonnen werden. Schließlich stellt diese Arbeit erstmals kosmologische Simulationen vor, die ausschließlich durch Pekuliargeschwindigkeiten eingegrenzt sind. Der Erfolg dieser Methode wird dadurch bestätigt, dass die dadurch erzeugten Simulationen dem beobachteten lokalen Universum sehr ähnlich sind. Die relevanten Attraktoren und Voids liegen in den Simulationen an Positionen, welche bis auf wenige Megaparsec mit den beobachteten Positionen übereinstimmen. Die Simulationen erreichen damit die durch die lineare Theorie gegebene Genauigkeitsgrenze

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