A huge number of applications require coherent radiation in the visible spectral range. Since diode lasers are very compact and efficient light sources, there exists a great interest to cover these applications with diode laser emission. Despite modern band gap engineering not all wavelengths can be accessed with diode laser radiation. Especially in the visible spectral range between 480 nm and 630 nm no emission from diode lasers is available, yet. Nonlinear frequency conversion of near-infrared radiation is a common way to generate coherent emission in the visible spectral range. However, radiation with extraordinary spatial temporal and spectral quality is required to pump frequency conversion. Broad area (BA) diode lasers are reliable high power light sources in the near-infrared spectral range. They belong to the most efficient coherent light sources with electro-optical efficiencies of more than 70%. Standard BA lasers are not suitable as pump lasers for frequency conversion because of their poor beam quality and spectral properties. For this purpose, tapered lasers and diode lasers with Bragg gratings are utilized. However, these new diode laser structures demand for additional manufacturing and assembling steps that makes their processing challenging and expensive. An alternative to BA diode lasers is the stripe-array architecture. The emitting area of a stripe-array diode laser is comparable to a BA device and the manufacturing of these arrays requires only one additional process step. Such a stripe-array consists of several narrow striped emitters realized with close proximity. Due to the overlap of the fields of neighboring emitters or the presence of leaky waves, a strong coupling between the emitters exists. As a consequence, the emission of such an array is characterized by a so called supermode. However, for the free running stripe-array mode competition between several supermodes occurs because of the lack of wavelength stabilization. This leads to power fluctuations, spectral instabilities and poor beam quality. Thus, it was necessary to study the emission properties of those stripe-arrays to find new concepts to realize an external synchronization of the emitters. The aim was to achieve stable longitudinal and transversal single mode operation with high output powers giving a brightness sufficient for efficient nonlinear frequency conversion. For this purpose a comprehensive analysis of the stripe-array devices was done here. The physical effects that are the origin of the emission characteristics were investigated theoretically and experimentally. In this context numerical models could be verified and extended. A good agreement between simulation and experiment was observed. One way to stabilize a specific supermode of an array is to operate it in an external cavity. Based on mathematical simulations and experimental work, it was possible to design novel external cavities to select a specific supermode and stabilize all emitters of the array at the same wavelength. This resulted in stable emission with 1 W output power, a narrow bandwidth in the range of 2 MHz and a very good beam quality with M²<1.5. This is a new level of brightness and brilliance compared to other BA and stripe-array diode laser systems. The emission from this external cavity diode laser (ECDL) satisfied the requirements for nonlinear frequency conversion. Furthermore, a huge improvement to existing concepts was made. In the next step newly available periodically poled crystals were used for second harmonic generation (SHG) in single pass setups. With the stripe-array ECDL as pump source, more than 140 mW of coherent radiation at 488 nm could be generated with a very high opto-optical conversion efficiency. The generated blue light had very good transversal and longitudinal properties and could be used to generate biphotons by parametric down-conversion. This was feasible because of the improvement made with the infrared stripe-array diode lasers due to the development of new physical concepts. / Für eine Vielzahl von interessanten Anwendungen z.B. in den Lebenswissenschaften werden kohärente Strahlquellen im sichtbaren Spektralbereich benötigt. Diese Strahlquellen sollen sich durch eine hohe Effizienz (d.h. Sparsamkeit), Mobilität und eine hohe Güte des emittierten Lichtes auszeichnen. Im Idealfall passt die Lichtquelle in die Hosentasche und kann mit herkömmlichen Batterien betrieben werden. Diodenlaser sind solche kleinen und sehr effizienten Strahlquellen. Sie sind heutzutage allgegenwärtig, begegnen uns in CD-Playern, Laserdruckern oder an Supermarktkassen im täglichen Leben. Diodenlaser zeichnen sich durch ihren extrem hohen Wirkungsgrad aus, da hier elektrischer Strom direkt in Licht umgewandelt wird. Jedoch können bisher noch nicht alle Wellenlängen im sichtbaren Bereich mit diesen Lasern realisiert werden. Eine Möglichkeit, diesen Wellenlängenbereich über einen Umweg zu erreichen, ist Frequenzkonversion von infrarotem in sichtbares Licht mit sogenannten nichtlinearen optischen Kristallen. Dies ist im Prinzip auch mit Diodenlasern möglich, konnte bisher jedoch nur sehr ineffizient oder mit erheblichem Aufwand umgesetzt werden. Allerdings kann mit Hilfe von externen Resonatoren die Emission solcher Standard-Laserdioden maßgeblich beeinflusst und die Qualität des Lichtes erheblich verbessert werden. Hier setzt die Zielsetzung dieser Arbeit an: Das Licht von infraroten Hochleistungslaserdioden, sogenannten „Streifen-Arrays“, sollte durch einen externen Resonator stabilisiert und für die Frequenzverdopplung erschlossen werden. Diese Arrays bestehen aus mehreren dicht nebeneinander angeordneten Einzelemittern und zeichnen sich dadurch aus, dass eine Kopplung dieser Emitter von außen möglich ist. Im ersten Schritt sollte eine solche Synchronisation der Emitter erreicht werden. In einem zweiten Schritt soll das von außen beeinflusste Licht des Arrays mit einer hohen Effizienz in sichtbares (blaues) Licht konvertiert werden um den Wirkungsgrad der Diodenlaser voll auszunutzen. Dafür war es notwendig die Physik der Streifen-Arrays sorgfältig zu untersuchen. Es mussten Methoden entwickelt werden, durch die eine gezielte Beeinflussung der Emitter möglich ist, damit es zu einer globalen Kopplung und Synchronisation der Array Emitter kommt. Dafür wurden mit Hilfe von mathematischen Modellierungen und Experimenten verschiedene Resonatorkonzepte entwickelt und realisiert. Schlussendlich war es möglich, die Emissionseigenschaften der Arrays um mehrere Größenordnungen zu verbessern und sehr effizient kohärentes blaues Licht sehr hoher Güte zu erzeugen. In einem weiteren Experiment ist es zusätzlich gelungen nichtklassisches Licht bzw. Paarphotonen zu generieren, die ebenfalls interessant für die Lebenswissenschaften sind.

LISA (Laser Interferometer Space Antenna) ist ein geplanter Gravitationswellendetektor, der aus drei Satelliten bestehen soll, deren Abstand mit Hilfe von Laserinterferometrie überwacht wird. Die hohe Frequenzstabilität der Laser, die dafür benötigt wird, soll mit einem dreistufigen Verfahren erreicht werden. Dieses beinhaltet eine Vorstabilisierung, die nicht nur hohe Stabilität sondern auch Durchstimmbarkeit aufweisen muss. Eine Möglichkeit so eine durchstimmbare Vorstabilisierung zu realisieren ist die Verwendung eines optischen Resonators mit eingebautem Piezoaktuator. Dies ist an sich kein neuer Ansatz, wurde bisher allerdings noch nicht mit der geforderten Stabilität realisiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene piezoelektrisch durchstimmbaren Resonatoren aufgebaut und hinsichtlich ihres Rauschverhaltens und Durchstimmbereichs untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Resonatoren alle Anforderungen an eine durchstimmbare Vorstabilisierung für LISA erfüllen. Darüber hinaus gibt die hier präsentierte Arbeit einen neuen Einblick in das Potential von piezoelektrisch durchstimmbaren Resonatoren. Ihre Stabilität ist nur eine Größenordnung geringer als die der besten nicht durchstimmbaren Resonatoren der gleichen Länge und das gemessene Rauschen kann dabei nicht nicht den Piezoaktuatoren zugeordnet werden. Es sollte also prinzipiell möglich sein noch bessere Stabilitäten mit piezoelektrisch durchstimmbaren Resonatoren zu erzielen. In der Tat zeigen theoretische Untersuchungen, die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt wurden, dass die intrinsische Stabilität eines Resonators durch den Einbau eines Piezoaktuators nur geringfügig herab gesetzt wird. Hoch-stabile piezoelektrisch durchstimmbare Resonatoren können über eine Verwendung in LISA hinaus auch bei zahlreichen anderen Anwendungen zum Einsatz kommen, wie z.B. in der Cavity Enhanced Spektroskopie als Transfer Resonatoren oder als optische Lokaloszillatoren in der Atom- und Molekülspektroskopie. / The Laser Interferometer Space Antenna (LISA) is a proposed space-based gravitational wave detector that aims to detect gravitational waves in the low frequency range from 0.1 mHz to 1 Hz, which is not accessible by ground-based detectors. It consists of three satellites whose distance is monitored by laser interferometry. The high frequency stability of the lasers required for this purpose is to be achieved with a three level noise reduction scheme. This includes a pre-stabilization stage that has to feature not only high stability but also tunability. One approach for such a tunable pre-stabilization is stabilizing a laser to an optical cavity with incorporated piezoelectric actuator. While this is not a new concept per se, it has never been realized with the required stability until now. Within this thesis, different types of piezo-tunable cavities have been built and thoroughly analyzed. It could be shown that the cavities fulfill all requirements for a tunable laser pre-stabilization for LISA. Furthermore, the work presented here gives a new insight into the potential of piezo-tunable cavities. Their performance is only one order of magnitude below that of the best non-tunable cavities of the same length and the measured noise can not be attributed to the integration of the piezo actuators. So, in principal, an even better performance should be achievable with piezo-tunable cavities. Indeed, theoretical considerations performed within this thesis reveal that the intrinsic stability of piezo-tunable cavities is only slightly inferior to that of rigid cavities. Beyond an application in LISA, highly stable piezo-tunable cavities are also valuable devices for numerous other applications. They can be used in cavity enhanced spectroscopy, as transfer cavities or as optical local oscillators in atomic and molecular spectroscopy.

We are using organic small molecules as absorbing material to investigate coherent perfect absorption in layered thin-film structures. Therefore we realize strongly asymmetric resonator structures with a high optical quality dielectric distributed Bragg reflector and thermally evaporated wedged organic materials on top. We investigate the optical properties of these structures systematically by selective optical pumping and probing of the structure. By shifting the samples along the wedge, we demonstrate how relations of phase and amplitude of all waves can be tuned to achieve coherent perfect absorption. Thus almost all incident radiation dissipates in the thin organic absorbing layer. Furthermore, we show how these wedged structures on a high-quality reflective dielectric mirror can be used to determine optical dispersion relations of absorbing materials in a broad spectral range. This novel approach does not require any specific a priori knowledge on the absorbing film.

This thesis deals with the development and investigation of composite-cavity (CC) organic microresonators comprising a vertical cavity (VC) and a distributed feedback structure (DFB). Prepared as separate devices, these two resonators are extensively investigated and characterized by their far-field radiation patterns, emission spectra, and dispersion characteristics. Although the vertical and lateral systems are based on entirely different concepts leading to distinct symmetries, confinement mechanisms, and processes of optical feedback, devices produced with the same set of materials show comparable lasing thresholds. The different angular dispersions of cavity and waveguide (WG) resonances are employed in a laterally structured vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL), where a periodic grating serves as a diffractive coupler between these two regimes. A coherent interaction of the vertical and horizontal system is observed as pronounced anticrossings of parabolic and linear dispersion curves in the far-field spectra. As a result from this coherent coupling, the hybridized WG-VCSEL modes show stimulated emission in far-field regions, where the individual photonic structures would not reach the lasing threshold in a decoupled scenario. Efficient optical feedback in surface-normal and in-plane direction is achieved by combining a VC and a second-order DFB structure in a continuous tunable CC microresonator. The optical coupling is due to a first-order light diffraction on a second-order Bragg grating and, in the degenerate case, can be as efficient as the coupling observed in more classical cascade coupled cavities. When the system is non-degenerate, the diffraction efficiency is suppressed because of sub-coherence-length dimensions of the composite-cavity and both resonators tend to operate as independent structures, without experiencing substantial losses due to diffraction on the distributed-feedback grating. Dispersion characteristics of multiple resonances are recorded and related to calculated modes, their field profiles, and coupling efficiencies. In combination with the analysis of input-output measurements, the lasing characteristics of vertical and lateral resonances are controlled by adjusting specific design parameters of the system. For identical resonance energies, the distinct resonators show coherent interaction in the cross-coupled configuration, if the quality of the resonances and the cross-coupling efficiency meet the condition of strong photon-photon interaction. This resonant coupling has a fundamental impact on dispersion and lasing characteristics of the system. / Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Untersuchung von organischen Mikroresonatoren, die eine Kompositkavität aus einem Oberflächenemitter und einem Resonator mit verteilter Rückkopplung (DFB) beinhalten. Diese beiden Resonatortypen werden zunächst als separate Strukturen hergestellt, untersucht und über deren Intensitätsverteilungen im Fernfeld, Emissionsspektren und Dispersionseigenschaften charakterisiert. Die vertikalen und lateralen Strukturen basieren auf unterschiedlichen Konzepten, die zu völlig verschiedenartigen Symmetrien, Mechanismen des elektromagnetischen Einschlusses und Arten der optischen Rückkopplung führen. Nichtsdestotrotz weisen diese Resonatoren, die mit dem gleichen Materialsatz hergestellt wurden, ähnliche Laserschwellen auf. Die unterschiedliche winkelabhängige Dispersion von Vertikal- und Wellenleitermoden werden in einem lateral strukturierten Oberflächenemitter (VCSEL) ausgenutzt. In dieser Struktur dient eine periodisches Gitter als Kopplungselement zwischen diesen beiden Bereichen. Eine kohärente Wechselwirkung zwischen vertikalem und horizontalem System zeigt sich durch das Auftreten von ausgeprägten Antikreuzungspunkten parabolischer und gerader Dispersionskurven in den winkelaufgelösten Emissionsspektren. Die Folge dieser kohärenten Kopplung ist das Entstehen von Lasermoden in Bereichen des Fernfelds, wo die einzelnen Resonatoren im entkoppelten Zustand die Laserschwelle nicht erreichen würden. Eine wirksame optische Rückkopplung sowohl in Richtung der Oberflächennormalen als auch in lateraler Richtung wird durch die Kombination einer VCSEL und einer DFB-Struktur zweiter Ordnung in einem kontinuierlich durchstimmbaren Kompositresonator erreicht. Die optische Kopplung wird durch Beugung erster Ordnung am Bragg-Gitter zweiter Ordnung realisiert. Im entarteten Fall werden Kopplungseffizienzen beobachtet, die vergleichbar mit denen klassisch kaskadengekoppelter Mikrokavitäten sind. Für verschiedene Energieeigenwerte der zwei Resonatorkomponenten führt die im Vergleich zur Kohärenzlänge geringe Ausdehnung der Kompositkavität zu einer nahezu unabhängigen Tätigkeit der beiden Resonatoren mit nur geringen Verlusten durch Beugung an der periodischen Struktur. Die Dispersionseigenschaften von mehreren Resonanzen werden gemessen und berechneten Moden, deren Feldverteilungen und Kopplungseffizienzen zugeordnet. In Verbindung mit der Analyse der Intensitäten der Lasermoden in Abhängigkeit der Pumpleistung werden die Laserschwellen durch die Anpassung spezifischer Designparameter kontrolliert. Für identische Resonanzenergien weisen die unterschiedlichen Resonatoren eine kohärente Wechselwirkung auf, falls die Qualität der Moden und die Beugungseffizienz die Bedingung für starke Photon-Photon-Kopplung erfüllen. Diese resonante Kopplung zeigt einen fundamentalen Einfluss auf die Dispersions- und Lasereigenschaften im Kompositsystem.