Physical and optical properties of phthalocyanine doped inorganic glasses

Physical and optical properties of various free base and metallic phthalocyanine (Pc) doped glass matrix are reported for the first time. Absorption spectral measurements of H2Pc, MnPc, NiPc, CoPc, CuPc, MoOPc, ZnPc and FePc doped borate glass matrix have been made in the 200–1100 nm region and the spectra obtained are analyzed in the 2.1–6.2 eV region to obtain the optical band gap (Eg) and the width of the band tail (Et). Other important optical and physical parameters viz. refractive index (n), molar extinction coefficient ("), density (½), glass transition temperature (Tg), molecular concentration (N ), polaron radius (rp), intermolecular separation (R), molar refractivity (Rm) are also reported.

Comparative Performance of Two Fiber Optic Ammonia Sensors Employing Different Sensing Materials

The design and fabrication of fiber based ammonia sensors employing Bromothymol blue and Chitosan as sensing elements are presented in this paper. In the presence of ammonia gas the absorption of Bromothymol blue changes while in the case of Chitosan the refractive index changes which in turn modulates the intensity of light propagating through a fiber.

Photothermal Investigations on Certain Plasma Polymerized Thin Films and Near IR Overtone Studies of Some Organic Molecules

Photothermal effect refers to heating of a sample due to the absorption of electromagnetic radiation. Photothermal (PT) heat generation which is an example of energy conversion has in general three kinds of applications. 1. PT material probing 2. PT material processing and 3. PT material destruction. The temperatures involved increases from 1-. 3. Of the above three, PT material probing is the most important in making significant contribution to the field of science and technology. Photothermal material characterization relies on high sensitivity detection techniques to monitor the effects caused by PT material heating of a sample. Photothermal method is a powerful high sensitivity non-contact tool used for non-destructive thermal characterization of materials. The high sensitivity of the photothermal methods has led to its application for analysis of low absorbance samples. Laser calorimetry, photothermal radiometry, pyroelectric technique, photoacoustic technique, photothermal beam deflection technique, etc. come under the broad class ofphotothermal techniques. However the choice of a suitable technique depends upon the nature of the sample, purpose of measurement, nature of light source used, etc. The present investigations are done on polymer thin films employing photothermal beam deflection technique, for the successful determination of their thermal diffusivity. Here the sample is excited by a He-Ne laser (A = 6328...\ ) which acts as the pump beam. Due to the refractive index gradient established in the sample surface and in the adjacent coupling medium, another optical beam called probe beam (diode laser, A= 6500A ) when passed through this region experiences a deflection and is detected using a position sensitive detector and its output is fed to a lock-in amplifier from which the amplitude and phase of the deflection can be directly obtained. The amplitude and phase of the signal is suitably analysed for determining the thermal diffusivity.The production of polymer thin film samples has gained considerable attention for the past few years. Plasma polymerization is an inexpensive tool for fabricating organic thin films. It refers to formation of polymeric materials under the influence of plasma, which is generated by some kind of electric discharge. Here plasma of the monomer vapour is generated by employing radio frequency (MHz) techniques. Plasma polymerization technique results in homogeneous, highly adhesive, thermally stable, pinhole free, dielectric, highly branched and cross-linked polymer films. The possible linkage in the formation of the polymers is suggested by comparing the FTIR spectra of the monomer and the polymer.Near IR overtone investigations on some organic molecules using local mode model are also done. Higher vibrational overtones often provide spectral simplification and greater resolution of peaks corresponding to nonequivalent X-H bonds where X is typically C, N or O. Vibrational overtone spectroscopy of molecules containing X-H oscillators is now a well established tool for molecular investigations. Conformational and steric differences between bonds and structural inequivalence ofCH bonds (methyl, aryl, acetylenic, etc.) are resolvable in the higher overtone spectra. The local mode model in which the X-H oscillators are considered to be loosely coupled anharmonic oscillators has been widely used for the interpretation of overtone spectra. If we are exciting a single local oscillator from the vibrational ground state to the vibrational state v, then the transition energy of the local mode overtone is given by .:lE a......v = A v + B v2 • A plot of .:lE / v versus v will yield A, the local mode frequency as the intercept and B, the local mode diagonal anharmonicity as the slope. Here A - B gives the mechanical frequency XI of the oscillator and B = X2 is the anharmonicity of the bond. The local mode parameters XI and X2 vary for non-equivalent X-H bonds and are sensitive to the inter and intra molecular environment of the X-H oscillator.

Photothermal and photoacoustic investigations on certain polymers and semi conducting materials

Material synthesizing and characterization has been one of the major areas of scientific research for the past few decades. Various techniques have been suggested for the preparation and characterization of thin films and bulk samples according to the industrial and scientific applications. Material characterization implies the determination of the electrical, magnetic, optical or thermal properties of the material under study. Though it is possible to study all these properties of a material, we concentrate on the thermal and optical properties of certain polymers. The thermal properties are detennined using photothermal beam deflection technique and the optical properties are obtained from various spectroscopic analyses. In addition, thermal properties of a class of semiconducting compounds, copper delafossites, arc determined by photoacoustic technique.Photothermal technique is one of the most powerful tools for non-destructive characterization of materials. This forms a broad class of technique, which includes laser calorimetry, pyroelectric technique, photoacollstics, photothermal radiometric technique, photothermal beam deflection technique etc. However, the choice of a suitable technique depends upon the nature of sample and its environment, purpose of measurement, nature of light source used etc. The polynler samples under the present investigation are thermally thin and optically transparent at the excitation (pump beam) wavelength. Photothermal beam deflection technique is advantageous in that it can be used for the detennination of thermal diffusivity of samples irrespective of them being thermally thick or thennally thin and optically opaque or optically transparent. Hence of all the abovementioned techniques, photothemlal beam deflection technique is employed for the successful determination of thermal diffusivity of these polymer samples. However, the semi conducting samples studied are themlally thick and optically opaque and therefore, a much simpler photoacoustic technique is used for the thermal characterization.The production of polymer thin film samples has gained considerable attention for the past few years. Different techniques like plasma polymerization, electron bombardment, ultra violet irradiation and thermal evaporation can be used for the preparation of polymer thin films from their respective monomers. Among these, plasma polymerization or glow discharge polymerization has been widely lIsed for polymer thin fi Im preparation. At the earlier stages of the discovery, the plasma polymerization technique was not treated as a standard method for preparation of polymers. This method gained importance only when they were used to make special coatings on metals and began to be recognized as a technique for synthesizing polymers. Thc well-recognized concept of conventional polymerization is based on molecular processcs by which thc size of the molecule increases and rearrangemcnt of atoms within a molecule seldom occurs. However, polymer formation in plasma is recognized as an atomic process in contrast to the above molecular process. These films are pinhole free, highly branched and cross linked, heat resistant, exceptionally dielectric etc. The optical properties like the direct and indirect bandgaps, refractive indices etc of certain plasma polymerized thin films prepared are determined from the UV -VIS-NIR absorption and transmission spectra. The possible linkage in the formation of the polymers is suggested by comparing the FTIR spectra of the monomer and the polymer. The thermal diffusivity has been measured using the photothermal beam deflection technique as stated earlier. This technique measures the refractive index gradient established in the sample surface and in the adjacent coupling medium, by passing another optical beam (probe beam) through this region and hence the name probe beam deflection. The deflection is detected using a position sensitive detector and its output is fed to a lock-in-amplifIer from which the amplitude and phase of the deflection can be directly obtained. The amplitude and phase of the deflection signal is suitably analyzed for determining the thermal diffusivity.Another class of compounds under the present investigation is copper delafossites. These samples in the form of pellets are thermally thick and optically opaque. Thermal diffusivity of such semiconductors is investigated using the photoacoustic technique, which measures the pressure change using an elcctret microphone. The output of the microphone is fed to a lock-in-amplificr to obtain the amplitude and phase from which the thermal properties are obtained. The variation in thermal diffusivity with composition is studied.

Optical absorption studies of free (H2Pc) and rare earth (RePc) phthalocyanine doped borate glasses

Optical absorption studies of free base and rare earth incorporated phthalocyanine doped borate glass matrix are reported for the first lime. The absorption spectra recorded in the UV- VIS region show two well defined absorption bands of phthalocyanine (Pc) molecule, namely the Soret band (B) and the Q band. The Q band always shows its characteristic splitting in all the doped glass matrices and the intensities of these components are found to vary from one Pc to another. Some of the important optical parameters, namely optical absorption coefficient (a), molar extinction coefficient (ε), absorption cross section (σa), oscillator strength (f), electric dipole strength (q2), absorption half bandwidth (Δλ) of the principal optical transitions have also been evaluated. Moreover, the spectral dependence of refractive index (n) and thereby the optical dielectric constant (ε) on wavelength yielded values of carrier concentration to effective mass ratio (N/m*) of the phthalocyanine molecule in the present glassy systems. Optical band gap (Eg) and width of the band tail (Et) are computed and their variations among the prepared samples are also discussed.

Determination of the laser-induced damage threshold of bulk polymer samples at 1.06 mu m using the pulsed photothermal deflection technique

A pulsed Nd-YAG laser beam is used to produce a transient refractive index gradient in air adjoining the plane surface of the sample material. This refractive index gradient is probed by a continuous He-Ne laser beam propagating parallel to the sample surface. The observed deflection signals produced by the probe beam exhibit drastic variations when the pump laser energy density crosses the damage threshold for the sample. The measurements are used to estimate the damage threshold for a few polymer samples. The present values are found to be in good agreement with those determined by other methods.

A Comparative Study of Fiber Optic Humidity Sensors Based on Chitosan and Agarose

A comparative study of two biopolymer based fiber optic humidity sensors is presented in this paper. Sensing elements Agarose and Chitosan swells in the presence of water vapour and undergoes changes in refractive index and modulates the intensity of light propagating through a fiber with Agarose or Chitosan as cladding.

Electron Density Determination of Laser Induced Plasma from Polymethyl Methacrylate Using Phaseshift Detection Technique

Irradiation of a Polymethyl methacrylate target using a pulsed Nd-YAG laser causes plasma formation in the vicinity of the target. The refractive index gradient due to the presence of the plasma is probed using phase-shift detection technique. The phase-shift technique is a simple but sensitive technique for the determination of laser ablation threshold of solids. The number density of laser generated plasma above the ablation threshold from Polymethyl methacrylate is calculated as a function of laser fluence. The number density varies from 2×1016 cm-3 to 2×1017 cm-3 in the fluence interval 2.8-13 J · cm-2.

“Fabrication and characterization of polymer optical fibers for photonic device applications

Although the main application of optical fibers are in the field of telecommunication, optical fiber based sensors of various designs are becoming valuable devices for wide industrial applications. The advantages of optical fiber-based sensors include high sensitivity, insensitivity to electromagnetic radiation; spark free, light weight and minimal intrusiveness due to their relatively small size and deployment in harsh and hostile environments. It has been proved that POI-7 based sensors can be employed to detect a great variety of parameters including temperature, humidity, pressure, refractive index etc. The proposed thesis presented in six chapters deals with the work carried on dye doped and undoped POF for photonic device applications such as amplifier, laser and sensor

Air-gap based vertical cavity micro-opto-electro-mechanical Fabry-Perot filters

Mikrooptische Filter sind heutzutage in vielen Bereichen in der Telekommunikation unersetzlich. Wichtige Einsatzgebiete sind aber auch spektroskopische Systeme in der Medizin-, Prozess- und Umwelttechnik. Diese Arbeit befasst sich mit der Technologieentwicklung und Herstellung von luftspaltbasierenden, vertikal auf einem Substrat angeordneten, oberflächenmikromechanisch hergestellten Fabry-Perot-Filtern. Es werden zwei verschiedene Filtervarianten, basierend auf zwei verschiedenen Materialsystemen, ausführlich untersucht. Zum einen handelt es sich dabei um die Weiterentwicklung von kontinuierlich mikromechanisch durchstimmbaren InP / Luftspaltfiltern; zum anderen werden neuartige, kostengünstige Siliziumnitrid / Luftspaltfilter wissenschaftlich behandelt. Der Inhalt der Arbeit ist so gegliedert, dass nach einer Einleitung mit Vergleichen zu Arbeiten und Ergebnissen anderer Forschergruppen weltweit, zunächst einige theoretische Grundlagen zur Berechnung der spektralen Reflektivität und Transmission von beliebigen optischen Schichtanordnungen aufgezeigt werden. Auß erdem wird ein kurzer theoretischer Ü berblick zu wichtigen Eigenschaften von Fabry-Perot-Filtern sowie der Möglichkeit einer mikromechanischen Durchstimmbarkeit gegeben. Daran anschließ end folgt ein Kapitel, welches sich den grundlegenden technologischen Aspekten der Herstellung von luftspaltbasierenden Filtern widmet. Es wird ein Zusammenhang zu wichtigen Referenzarbeiten hergestellt, auf denen diverse Weiterentwicklungen dieser Arbeit basieren. Die beiden folgenden Kapitel erläutern dann ausführlich das Design, die Herstellung und die Charakterisierung der beiden oben erwähnten Filtervarianten. Abgesehen von der vorangehenden Epitaxie von InP / GaInAs Schichten, ist die Herstellung der InP / Luftspaltfilter komplett im Institut durchgeführt worden. Die Herstellungsschritte sind ausführlich in der Arbeit erläutert, wobei ein Schwerpunktthema das trockenchemische Ä tzen von InP sowie GaInAs, welches als Opferschichtmaterial für die Herstellung der Luftspalte genutzt wurde, behandelt. Im Verlauf der wissenschaftlichen Arbeit konnten sehr wichtige technische Verbesserungen entwickelt und eingesetzt werden, welche zu einer effizienteren technologischen Herstellung der Filter führten und in der vorliegenden Niederschrift ausführlich dokumentiert sind. Die hergestellten, für einen Einsatz in der optischen Telekommunikation entworfenen, elektrostatisch aktuierbaren Filter sind aus zwei luftspaltbasierenden Braggspiegeln aufgebaut, welche wiederum jeweils 3 InP-Schichten von (je nach Design) 357nm bzw. 367nm Dicke aufweisen. Die Filter bestehen aus im definierten Abstand parallel übereinander angeordneten Membranen, die über Verbindungsbrücken unterschiedlicher Anzahl und Länge an Haltepfosten befestigt sind. Da die mit 357nm bzw. 367nm vergleichsweise sehr dünnen Schichten freitragende Konstrukte mit bis zu 140 nm Länge bilden, aber trotzdem Positionsgenauigkeiten im nm-Bereich einhalten müssen, handelt es sich hierbei um sehr anspruchsvolle mikromechanische Bauelemente. Um den Einfluss der zahlreichen geometrischen Strukturparameter studieren zu können, wurden verschiedene laterale Filterdesigns implementiert. Mit den realisierten Filter konnte ein enorm weiter spektraler Abstimmbereich erzielt werden. Je nach lateralem Design wurden internationale Bestwerte für durchstimmbare Fabry-Perot-Filter von mehr als 140nm erreicht. Die Abstimmung konnte dabei kontinuierlich mit einer angelegten Spannung von nur wenigen Volt durchgeführt werden. Im Vergleich zu früher berichteten Ergebnissen konnten damit sowohl die Wellenlängenabstimmung als auch die dafür benötigte Abstimmungsspannung signifikant verbessert werden. Durch den hohen Brechungsindexkontrast und die geringe Schichtdicke zeigen die Filter ein vorteilhaftes, extrem weites Stopband in der Größ enordnung um 550nm. Die gewählten, sehr kurzen Kavitätslängen ermöglichen einen freien Spektralbereich des Filters welcher ebenfalls in diesen Größ enordnungen liegt, so dass ein weiter spektraler Einsatzbereich ermöglicht wird. Während der Arbeit zeigte sich, dass Verspannungen in den freitragenden InPSchichten die Funktionsweise der mikrooptischen Filter stark beeinflussen bzw. behindern. Insbesondere eine Unterätzung der Haltepfosten und die daraus resultierende Verbiegung der Ecken an denen sich die Verbindungsbrücken befinden, führte zu enormen vertikalen Membranverschiebungen, welche die Filtereigenschaften verändern. Um optimale Ergebnisse zu erreichen, muss eine weitere Verbesserung der Epitaxie erfolgen. Jedoch konnten durch den zusätzlichen Einsatz einer speziellen Schutzmaske die Unterätzung der Haltepfosten und damit starke vertikale Verformungen reduziert werden. Die aus der Verspannung resultierenden Verformungen und die Reaktion einzelner freistehender InP Schichten auf eine angelegte Gleich- oder Wechselspannung wurde detailliert untersucht. Mittels Weisslichtinterferometrie wurden lateral identische Strukturen verglichen, die aus unterschiedlich dicken InP-Schichten (357nm bzw. 1065nm) bestehen. Einen weiteren Hauptteil der Arbeit stellen Siliziumnitrid / Luftspaltfilter dar, welche auf einem neuen, im Rahmen dieser Dissertation entwickelten, technologischen Ansatz basieren. Die Filter bestehen aus zwei Braggspiegeln, die jeweils aus fünf 590nm dicken, freistehenden Siliziumnitridschichten aufgebaut sind und einem Abstand von 390nm untereinander aufweisen. Die Filter wurden auf Glassubstraten hergestellt. Der Herstellungsprozess ist jedoch auch mit vielen anderen Materialien oder Prozessen kompatibel, so dass z.B. eine Integration mit anderen Bauelemente relativ leicht möglich ist. Die Prozesse dieser ebenfalls oberflächenmikromechanisch hergestellten Filter wurden konsequent auf niedrige Herstellungskosten optimiert. Als Opferschichtmaterial wurde hier amorph abgeschiedenes Silizium verwendet. Der Herstellungsprozess beinhaltet die Abscheidung verspannungsoptimierter Schichten (Silizium und Siliziumnitrid) mittels PECVD, die laterale Strukturierung per reaktiven Ionenätzen mit den Gasen SF6 / CHF3 / Ar sowie Fotolack als Maske, die nasschemische Unterätzung der Opferschichten mittels KOH und das Kritisch-Punkt-Trocken der Proben. Die Ergebnisse der optischen Charakterisierung der Filter zeigen eine hohe Ü bereinstimmung zwischen den experimentell ermittelten Daten und den korrespondierenden theoretischen Modellrechnungen. Weisslichtinterferometermessungen der freigeätzten Strukturen zeigen ebene Filterschichten und bestätigen die hohe vertikale Positioniergenauigkeit, die mit diesem technologischen Ansatz erreicht werden kann.

Zur Erfassung von form- und materialbedingten Oberflächenstrukturen mit Mikro-Deflexions-Ellipsometrie

Die vorliegende Arbeit berichtet über ein neuartiges, kombiniertes Messverfahren zur gleichzeitigen Erfassung von Form und Material einer glänzenden Probenoberfläche. Die Materialerkennung erfolgt über die polarisationsoptische Brechzahlbestimmung im Messpunkt mit Mikroellipsometrie. Die Mikroellipsometrie ist ein fokussierendes Ellipsometer, das aus der Polarisationsänderung, bedingt durch die Wechselwirkung Licht – Materie, die materialcharakteristische komplexe Brechzahl eines reflektierenden Materials ermitteln kann. Bei der fokussierenden Ellipsometrie ist die Anordnung der fokussierenden Optiken von Bedeutung. Die hier vorgestellte ellipsometerexterne Fokussierung vermeidet Messfehler durch optische Anisotropien und ermöglicht die multispektrale ellipsometrische Messung. Für die ellipsometrische Brechzahlbestimmung ist zwingend die Kenntnis des Einfallswinkels des Messstrahls und die räumliche Orientierung der Oberflächenneigung zum Koordinatensystem des Ellipsometers notwendig. Die Oberflächenneigung wird mit einem Deflektometer ermittelt, das speziell für den Einsatz in Kombination mit der Ellipsometrie entwickelt wurde. Aus der lokalen Oberflächenneigung kann die Topographie einer Probe rekonstruiert werden. Der Einfallswinkel ist ebenfalls aus den Oberflächenneigungen ableitbar. Die Arbeit stellt die Systemtheorie der beiden kombinierten Messverfahren vor, außerdem werden Beiträge zu Messunsicherheiten diskutiert. Der experimentelle Teil der Arbeit beinhaltet die separate Untersuchung zur Leistungsfähigkeit der beiden zu kombinierenden Messverfahren. Die experimentellen Ergebnisse erlauben die Schlussfolgerung, dass ein Mikro-Deflexions-Ellipsometer erfolgreich realisierbar ist.

Fluoreszenz und Lasertätigkeit in dünnen amorphen Schichten von Spirobifluorenderivaten

Es wurden die optischen Eigenschaften einiger Spirooligophenylverbindungen untersucht. Bei den Verbindungen handelte es sich um lineare und verzweigte Derivate des Spirobifluorens. Es wurden dünne amorphe Schichten der Verbindungen mittels spincoating und Vakuumverdampfen (OMBD) auf unterschiedlichen Substraten hergestellt. Mit spektroskopischer Ellipsometrie konnten die Schichtdicken und optische Konstanten der dünnen Schichten bestimmt werden. Dafür sind die Extinktionsspektren mit Tauc-Lorentz-Oszillatoren modelliert worden. Auf diese Weise ließen sich die optischen Konstanten der amorphen Filme besser beschreiben als mit den üblicherweise verwendeten Gauß-Oszillatoren. In dünnen Filmen von Spirosexiphenyl konnte uniaxiale Anisotropie nachgewiesen werden. Im Bereich der pie,pie*-Bande beträgt das Verhältnis des ordentlichen zum außerordentlichen Extinktionskoeffizienten 2.09. Mit einer Integrationskugel wurden die absoluten Quantenausbeuten der Fluoreszenz in festen Filmen bestimmt. Dafür ist ein vereinfachtes Verfahren der Auswertung entwickelt worden. Im Vergleich der untersuchten Substanzen zeigt sich, dass die Verbindungen mit dem Sexiphenyl-Chromophor höhere Quantenausbeuten im Festkörper haben (31 % - 48 %) als die Verbindungen mit Quaterphenyl als Chromophor (15 % - 30 %). In den beiden Klassen haben jeweils die sterisch anspruchsvollen Octopusvarianten die höchsten Festkörperquantenausbeuten. Durch verdünnen mit m,m-Spirosexiphenyl konnte die Quantenausbeute von p,p-Spirosexiphenyl in dünnen festen Filmen bis auf 65 % (95 % m,m- und 5 % p,p-Spirosexiphenyl) gesteigert werden. Eine Korrelation der Quantenausbeuten in Lösung und im festen, unverdünnten Film wurde nicht festgestellt. Als dünne Filme in Wellenleitergeometrie zeigen Spirooligophenyle bei optischer Anregung verstärkte spontane Emission (ASE). Dies manifestiert sich in einer Einengung des Emissionsspektrums mit zunehmender Pumpleistungsdichte. Auch für stimulierte Emission sind die Verbindungen mit Sexiphenylchromophor besser geeignet. Die niedrigste Schwelle in einer unverdünnten Reinsubstanz wurde mit 0.23 µJ/cm² in einer aufgeschleuderten Schicht Spirosexiphenyl gemessen. Auch 4-Spiro³, Spiro-SPO und Octo-2 zeigten niedrige ASE-Schwellen von 0.45 µJ/cm², 0.45 µJ/cm² und 0.5 µJ/cm². Die ASE-Schwellwerte von Spiroquaterphenyl und seinen beiden Derivaten Methoxyspiroquaterphenyl und Octo-1 sind mit 1.8 µJ/cm², 1.4 µJ/cm² und 1.2 µJ/cm² höher als die der Sexiphenylderivate. Im gemischten System aus m,m- und p,p-Spirosexiphenyl konnte die ASE-Schwelle noch weiter gesenkt werden. Bei einer Konzentration von 5 % p,p-Spirosexiphenyl wurde ein Schwellwert von nur 100 nJ/cm² bestimmt. Durch Dotierung mit unterschiedlichen Farbstoffen in Spirosexiphenyl als Matrix konnte ASE fast über den gesamten sichtbaren Spektralbereich gezeigt werden. Mit der „variable Streifenlänge“ (VSL-) -Methode wurden die pumpleistungsabhängigen Gainspektren dünner aufgedampfter Proben gemessen. Hieraus konnten die Wechselwirkungsquerschnitte der stimulierten Emission der Substanzen ermittelt werden. In Übereinstimmung mit den Verhältnissen bei den Festkörperfluoreszenzquantenausbeuten und den Schwellwerten der ASE sind auch bei den Gainkoeffizienten reiner Spirooligophenyle die besten Werte bei den Sexiphenylderivaten gefunden worden. Der Wirkungsquerschnitt der stimulierten Emission beträgt für Methylspiroquaterphenyl und Octo-1 ca. 1.8*10^-17 cm². Für Spiro-SPO und Spirosexiphenyl wurden Wirkungsquerschnitte von 7.5*10^-17 cm² bzw. 9.2*10^-17 cm² bestimmt. Noch etwas größer waren die Werte im gemischten System aus m,m- und p,p-Spirosexiphenyl (1.1*10^-16 cm²) und für DPAVB dotiert in Spirosexiphenyl (1.4*10^-16 cm²). Der höchste Maximalwert des Gainkoeffizienten von 328 cm-1 bei einer absorbierten Pumpenergiedichte von 149 µJ/cm² wurde mit Spirosexiphenyl erreicht. Abschließend wurden DFB-Laser-Strukturen mit reinen und dotierten Spirooligophenylverbindungen als aktiven Materialien vorgestellt. Mit Spiroterphenyl konnte ein DFB-Laser mit der bisher kürzesten Emissionswellenlänge (361.9 nm) in einem organischen Festkörperlaser realisiert werden. Mit reinen Spirooligophenylverbindungen und Mischungen daraus habe ich DFB-Lasing bei Wellenlängen zwischen 361.9 nm und 479 nm aufgezeigt. Durch Dotierung mit DPAVB wurde der Bereich der erreichbaren Wellenlängen bis 536 nm erweitert, bei gleichzeitiger Erniedrigung der Schwellenergiedichten für Lasertätigkeit. Bei Emissionswellenlängen von 495 nm bis 536 nm blieb die Laserschwelle zwischen 0.8 µJ/cm² und 1.1 µJ/cm². Diese Werte sind für DFB-Laser zweiter Ordnung sehr niedrig und geben Anlass zu glauben, dass sich mit DFB-Strukturen erster Ordnung Schwellen im Nanojoule Bereich erzielen lassen. Damit würde man den Bedingungen für elektrisch gepumpten Betrieb nahe kommen.

Development of hybrid UV VCSEL with organic active material and dielectric DBR mirrors for medical, sensoric and data storage applications

Lasers play an important role for medical, sensoric and data storage devices. This thesis is focused on design, technology development, fabrication and characterization of hybrid ultraviolet Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (UV VCSEL) with organic laser-active material and inorganic distributed Bragg reflectors (DBR). Multilayer structures with different layer thicknesses, refractive indices and absorption coefficients of the inorganic materials were studied using theoretical model calculations. During the simulations the structure parameters such as materials and thicknesses have been varied. This procedure was repeated several times during the design optimization process including also the feedback from technology and characterization. Two types of VCSEL devices were investigated. The first is an index coupled structure consisting of bottom and top DBR dielectric mirrors. In the space in between them is the cavity, which includes active region and defines the spectral gain profile. In this configuration the maximum electrical field is concentrated in the cavity and can destroy the chemical structure of the active material. The second type of laser is a so called complex coupled VCSEL. In this structure the active material is placed not only in the cavity but also in parts of the DBR structure. The simulations show that such a distribution of the active material reduces the required pumping power for reaching lasing threshold. High efficiency is achieved by substituting the dielectric material with high refractive index for the periods closer to the cavity. The inorganic materials for the DBR mirrors have been deposited by Plasma- Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) and Dual Ion Beam Sputtering (DIBS) machines. Extended optimizations of the technological processes have been performed. All the processes are carried out in a clean room Class 1 and Class 10000. The optical properties and the thicknesses of the layers are measured in-situ by spectroscopic ellipsometry and spectroscopic reflectometry. The surface roughness is analyzed by atomic force microscopy (AFM) and images of the devices are taken with scanning electron microscope (SEM). The silicon dioxide (SiO2) and silicon nitride (Si3N4) layers deposited by the PECVD machine show defects of the material structure and have higher absorption in the ultra violet range compared to ion beam deposition (IBD). This results in low reflectivity of the DBR mirrors and also reduces the optical properties of the VCSEL devices. However PECVD has the advantage that the stress in the layers can be tuned and compensated, in contrast to IBD at the moment. A sputtering machine Ionsys 1000 produced by Roth&Rau company, is used for the deposition of silicon dioxide (SiO2), silicon nitride (Si3N4), aluminum oxide (Al2O3) and zirconium dioxide (ZrO2). The chamber is equipped with main (sputter) and assisted ion sources. The dielectric materials were optimized by introducing additional oxygen and nitrogen into the chamber. DBR mirrors with different material combinations were deposited. The measured optical properties of the fabricated multilayer structures show an excellent agreement with the results of theoretical model calculations. The layers deposited by puttering show high compressive stress. As an active region a novel organic material with spiro-linked molecules is used. Two different materials have been evaporated by utilizing a dye evaporation machine in the clean room of the department Makromolekulare Chemie und Molekulare Materialien (mmCmm). The Spiro-Octopus-1 organic material has a maximum emission at the wavelength λemission = 395 nm and the Spiro-Pphenal has a maximum emission at the wavelength λemission = 418 nm. Both of them have high refractive index and can be combined with low refractive index materials like silicon dioxide (SiO2). The sputtering method shows excellent optical quality of the deposited materials and high reflection of the multilayer structures. The bottom DBR mirrors for all VCSEL devices were deposited by the DIBS machine, whereas the top DBR mirror deposited either by PECVD or by combination of PECVD and DIBS. The fabricated VCSEL structures were optically pumped by nitrogen laser at wavelength λpumping = 337 nm. The emission was measured by spectrometer. A radiation of the VCSEL structure at wavelength 392 nm and 420 nm is observed.

Model Calculations and Implementation of Filters and Hybrid Green VCSELs based on Optical Thin Film Stacks

This work introduced the novel conception of complex coupled hybrid VCSELs for the first time. Alternating organic and inorganic layers in the lasers provide periodic variation of refractive index and optical gain, which enable single mode operation and low threshold of the VCSELs. Model calculations revealed great reduction of the lasing threshold with factors over 30, in comparison with the existing micro-cavity lasers. Tunable green VCSEL has been also designed, implemented and analyzed taking advantage of the broad photoluminescence spectra of the organics. Free standing optical thin films without compressive stress are technologically implemented. Multiple membrane stacks with air gap in between have been fabricated for the implementation of complex coupled VCSEL structures. Complex coupled hybrid VCSEL is a very promising approach to fill the gaps in the green spectral range of the semiconductor lasers.