Enhanced luminescence and nonlinear optical properties of nanocomposites of ZnO–Cu

In this article, we present the spectral and nonlinear optical properties of ZnOCu nanocomposites prepared by colloidal chemical synthesis. The emission consisted of two peaks. The 385-nm ultraviolet (UV) peak is attributed to ZnO and the 550-nm visible peak is attributed to Cu nanocolloids. Obvious enhancement of UV and visible emission of the samples is observed and the strongest UV emission of a typical ZnOCu nanocomposite is over three times stronger than that of pure ZnO. Cu acts as a sensitizer and the enhancement of UV emission are caused by excitons formed at the interface between Cu and ZnO. As the volume fraction of Cu increases beyond a particular value, the intensity of the UV peak decreases while the intensity of the visible peak increases, and the strongest visible emission of a typical ZnOCu nanocomposite is over ten times stronger than that of pure Cu. The emission mechanism is discussed. Nonlinear optical response of these samples is studied using nanosecond laser pulses from a tunable laser in the wavelength range of 450650 nm, which includes the surface plasmon absorption (SPA) band. The nonlinear response is wavelength dependent and switching from reverse saturable absorption (RSA) to saturable absorption (SA) has been observed for Cu nanocolloids as the excitation wavelength changes from the low absorption window region to higher absorption regime near the SPA band. However, ZnO colloids and ZnOCu nanocomposites exhibit induced absorption at this wavelength. Such a changeover in the sign of the nonlinearity of ZnOCu nanocomposites, with respect to Cu nanocolloids, is related to the interplay of plasmon band bleach and optical limiting mechanisms. The SA again changes back to RSA when we move over to the infrared region. The ZnOCu nanocomposites show self-defocusing nonlinearity and good nonlinear absorption behavior. The nonlinear refractive index and the nonlinear absorption increases with increasing Cu volume fraction at 532 nm. The observed nonlinear absorption is explained through two-photon absorption followed by weak free-carrier absorption and interband absorption mechanisms. This study is important in identifying the spectral range and composition over which the nonlinear material acts as a RSA-based optical limiter. ZnOCu is a potential nanocomposite material for the light emission and for the development of nonlinear optical devices with a relatively small limiting threshold.

Synthesis and characterization of Tellurium oxide glasses for photonic applications

Tellurite glasses are photonic materials of special interest to the branch of optoelectronic and communication, due to its important optical properties such as high refractive index, broad IR transmittance, low phonon energy etc. Tellurite glasses are solutions to the search of potential candidates for nonlinear optical devices. Low phonon energy makes it an efficient host for dopant ions like rare earths, allowing a better environment for radiative transitions. The dopant ions maintain majority of their individual properties in the glass matrix. Tellurites are less toxic than chalcogenides, more chemically and thermally stable which makes them a highly suitable fiber material for nonlinear applications in the midinfrared and they are of increased research interest in applications like laser, amplifier, sensor etc. Low melting point and glass transition temperature helps tellurite glass preparation easier than other glass families. In order to probe into the versatility of tellurite glasses in optoelectronic industry; we have synthesized and undertaken various optical studies on tellurite glasses. We have proved that the highly nonlinear tellurite glasses are suitable candidates in optical limiting, with comparatively lower optical limiting threshold. Tuning the optical properties of glasses is an important factor in the optoelectronic research. We have found that thermal poling is an efficient mechanism in tuning the optical properties of these materials. Another important nonlinear phenomenon found in zinc tellurite glasses is their ability to switch from reverse saturable absorption to saturable absorption in the presence of lanthanide ions. The proposed thesis to be submitted will have seven chapters

Growth of metal and semiconductor nanostructures for nonlinear optical applications

Nonlinear optics has been a rapidly growing field in recent decades since the invention of lasers. The systematic progress in the laser technology increases our efficiency in the generation and control of coherent optical radiations. Nonlinear optics is based on the study ofeffects and phenomena related to the interaction of intense coherent light radiation with matter. Compared to other light sources laser radiation can provide high directionality, high monochromaticiry, high brightness and high photon degeneracy. At such a very intense incident beam, the matter responds in a nonlinear manner to the incident radiation fields, which endows the media :1 characteristic to change the refractive index or absorption coe fflcient of the media or the wavelength, or the frequency of the incident electromagnetic waves. This thesis encompasses the fabrication of nonlinear optical devices based on semiconductor and metal nanostructures. The presented work focus on the experimental and theoretical discussions on nonlinear optical effects especially nonlinear absorption and refraction exhibitted by metal and semiconductor nanostructures

“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

Synthesis, Characterization and Applications of Hybrid Nanocomposites of TiO2 With Conducting Polymers

A nanocomposite is a multiphase solid material where one of the phases has one, two or three dimensions of less than 100 nanometers (nm), or structures having nano-scale repeat distances between the different phases that make up the material. In the broadest sense this definition can include porous media, colloids, gels and copolymers, but is more usually taken to mean the solid combination of a bulk matrix and nano-dimensional phase(s) differing in properties due to dissimilarities in structure and chemistry. The mechanical, electrical, thermal, optical, electrochemical, catalytic properties of the nanocomposite will differ markedly from that of the component materials. Size limits for these effects have been proposed, <5 nm for catalytic activity, <20 nm for making a hard magnetic material soft, <50 nm for refractive index changes, and <100 nm for achieving superparamagnetism, mechanical strengthening or restricting matrix dislocation movement. Conducting polymers have attracted much attention due to high electrical conductivity, ease of preparation, good environmental stability and wide variety of applications in light-emitting, biosensor chemical sensor, separation membrane and electronic devices. The most widely studied conducting polymers are polypyrrole, polyaniline, polythiophene etc. Conducting polymers provide tremendous scope for tuning of their electrical conductivity from semiconducting to metallic region by way of doping and are organic electro chromic materials with chemically active surface. But they are chemically very sensitive and have poor mechanical properties and thus possessing a processibility problem. Nanomaterial shows the presence of more sites for surface reactivity, they possess good mechanical properties and good dispersant too. Thus nanocomposites formed by combining conducting polymers and inorganic oxide nanoparticles possess the good properties of both the constituents and thus enhanced their utility. The properties of such type of nanocomposite are strongly depending on concentration of nanomaterials to be added. Conducting polymer composites is some suitable composition of a conducting polymer with one or more inorganic nanoparticles so that their desirable properties are combined successfully. The composites of core shell metal oxide particles-conducting polymer combine the electrical properties of the polymer shell and the magnetic, optical, electrical or catalytic characteristics of the metal oxide core, which could greatly widen their applicability in the fields of catalysis, electronics and optics. Moreover nanocomposite material composed of conducting polymers & oxides have open more field of application such as drug delivery, conductive paints, rechargeable batteries, toners in photocopying, smart windows, etc.The present work is mainly focussed on the synthesis, characterization and various application studies of conducting polymer modified TiO2 nanocomposites. The conclusions of the present work are outlined below, Mesoporous TiO2 was prepared by the cationic surfactant P123 assisted hydrothermal synthesis route and conducting polymer modified TiO2 nanocomposites were also prepared via the same technique. All the prepared systems show XRD pattern corresponding to anatase phase of TiO2, which means that there is no phase change occurring even after conducting polymer modification. Raman spectroscopy gives supporting evidence for the XRD results. It also confirms the incorporation of the polymer. The mesoporous nature and surface area of the prepared samples were analysed by N2 adsorption desorption studies and the mesoporous ordering can be confirmed by low angle XRD measurementThe morphology of the prepared samples was obtained from both SEM & TEM. The elemental analysis of the samples was performed by EDX analysisThe hybrid composite formation is confirmed by FT-IR spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopyAll the prepared samples have been used for the photocatalytic degradation of dyes, antibiotic, endocrine disruptors and some other organic pollutants. Photocatalytic antibacterial activity studies were also performed using the prepared systemsAll the prepared samples have been used for the photocatalytic degradation of dyes, antibiotic, endocrine disruptors and some other organic pollutants. Photocatalytic antibacterial activity studies were also performed using the prepared systems Polyaniline modified TiO2 nanocomposite systems were found to have good antibacterial activity. Thermal diffusivity studies of the polyaniline modified systems were carried out using thermal lens technique. It is observed that as the amount of polyaniline in the composite increases the thermal diffusivity also increases. The prepared systems can be used as an excellent coolant in various industrial purposes. Nonlinear optical properties (3rd order nonlinearity) of the polyaniline modified systems were studied using Z scan technique. The prepared materials can be used for optical limiting Applications. Lasing studies of polyaniline modified TiO2 systems were carried out and the studies reveal that TiO2 - Polyaniline composite is a potential dye laser gain medium.

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.

Analytical Study of Light Propagation in Highly Nonlinear Media

The present dissertation is devoted to the construction of exact and approximate analytical solutions of the problem of light propagation in highly nonlinear media. It is demonstrated that for many experimental conditions, the problem can be studied under the geometrical optics approximation with a sufficient accuracy. Based on the renormalization group symmetry analysis, exact analytical solutions of the eikonal equations with a higher order refractive index are constructed. A new analytical approach to the construction of approximate solutions is suggested. Based on it, approximate solutions for various boundary conditions, nonlinear refractive indices and dimensions are constructed. Exact analytical expressions for the nonlinear self-focusing positions are deduced. On the basis of the obtained solutions a general rule for the single filament intensity is derived; it is demonstrated that the scaling law (the functional dependence of the self-focusing position on the peak beam intensity) is defined by a form of the nonlinear refractive index but not the beam shape at the boundary. Comparisons of the obtained solutions with results of experiments and numerical simulations are discussed.

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.

Optimization of the Mechanical and Optical Properties of Tunable Optical Sensor Arrays (TOSA) for a Nanospectrometer in the Visible and Near Infrared Spectral Range

Tunable Optical Sensor Arrays (TOSA) based on Fabry-Pérot (FP) filters, for high quality spectroscopic applications in the visible and near infrared spectral range are investigated within this work. The optical performance of the FP filters is improved by using ion beam sputtered niobium pentoxide (Nb2O5) and silicon dioxide (SiO2) Distributed Bragg Reflectors (DBRs) as mirrors. Due to their high refractive index contrast, only a few alternating pairs of Nb2O5 and SiO2 films can achieve DBRs with high reflectivity in a wide spectral range, while ion beam sputter deposition (IBSD) is utilized due to its ability to produce films with high optical purity. However, IBSD films are highly stressed; resulting in stress induced mirror curvature and suspension bending in the free standing filter suspensions of the MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) FP filters. Stress induced mirror curvature results in filter transmission line degradation, while suspension bending results in high required filter tuning voltages. Moreover, stress induced suspension bending results in higher order mode filter operation which in turn degrades the optical resolution of the filter. Therefore, the deposition process is optimized to achieve both near zero absorption and low residual stress. High energy ion bombardment during film deposition is utilized to reduce the film density, and hence the film compressive stress. Utilizing this technique, the compressive stress of Nb2O5 is reduced by ~43%, while that for SiO2 is reduced by ~40%. Filters fabricated with stress reduced films show curvatures as low as 100 nm for 70 μm mirrors. To reduce the stress induced bending in the free standing filter suspensions, a stress optimized multi-layer suspension design is presented; with a tensile stressed metal sandwiched between two compressively stressed films. The stress in Physical Vapor Deposited (PVD) metals is therefore characterized for use as filter top-electrode and stress compensating layer. Surface micromachining is used to fabricate tunable FP filters in the visible spectral range using the above mentioned design. The upward bending of the suspensions is reduced from several micrometers to less than 100 nm and 250 nm for two different suspension layer combinations. Mechanical tuning of up to 188 nm is obtained by applying 40 V of actuation voltage. Alternatively, a filter line with transmission of 65.5%, Full Width at Half Maximum (FWHM) of 10.5 nm and a stopband of 170 nm (at an output wavelength of 594 nm) is achieved. Numerical model simulations are also performed to study the validity of the stress optimized suspension design for the near infrared spectral range, wherein membrane displacement and suspension deformation due to material residual stress is studied. Two bandpass filter designs based on quarter-wave and non-quarter-wave layers are presented as integral components of the TOSA. With a filter passband of 135 nm and a broad stopband of over 650 nm, high average filter transmission of 88% is achieved inside the passband, while maximum filter transmission of less than 1.6% outside the passband is achieved.

Optical Antennas for Biosensing Applications

The aim of the thesis is to theoretically investigate optical/plasmonic antennas for biosensing applications. The full 3-D numerical electromagnetic simulations have been performed by using finite integration technique (FIT). The electromagnetic properties of surface plasmon polaritons (SPPs) and the localized surface plasmons (LSPs) based devices are studied for sensing purpose. The surface plasmon resonance (SPR) biosensors offer high refractive index sensitivity at a fixed wavelength but are not enough for the detection of low concentrations of molecules. It has been demonstrated that the sensitivity of SPR sensors can be increased by employing the transverse magneto-optic Kerr effect (TMOKE) in combination with SPPs. The sensor based on the phenomena of TMOKE and SPPs are known as magneto-optic SPR (MOSPR) sensors. The optimized MOSPR sensor is analyzed which provides 8 times higher sensitivity than the SPR sensor, which will be able to detect lower concentration of molecules. But, the range of the refractive index detection is limited, due to the rapid decay of the amplitude of the MOSPR-signal with the increase of the refractive indices. Whereas, LSPs based sensors can detect lower concentrations of molecules, but their sensitivity is small at a fixed wavelength. Therefore, another device configuration known as perfect plasmonic absorber (PPA) is investigated which is based on the phenomena of metal-insulator-metal (MIM) waveguide. The PPA consists of a periodic array of gold nanoparticles and a thick gold film separated by a dielectric spacer. The electromagnetic modes of the PPA system are analyzed for sensing purpose. The second order mode of the PPA at a fixed wavelength has been proposed for the first time for biosensing applications. The PPA based sensor combines the properties of the LSPR sensor and the SPR sensor, for example, it illustrates increment in sensitivity of the LSPR sensor comparable to the SPR and can detect lower concentration of molecules due to the presence of nanoparticles.

Simple finite field nuclear relaxation method for calculating vibrational contribution to degenerate four-wave mixing

A simple extended finite field nuclear relaxation procedure for calculating vibrational contributions to degenerate four-wave mixing (also known as the intensity-dependent refractive index) is presented. As a by-product one also obtains the static vibrationally averaged linear polarizability, as well as the first and second hyperpolarizability. The methodology is validated by illustrative calculations on the water molecule. Further possible extensions are suggested

Seasonal variations of the physical and optical characteristics of Saharan Dust: results from the Dust outflow and Deposition to the Ocean (DODO) experiment

North African dust is important for climate through its direct radiative effect on solar and terrestrial radiation and its role in the biogeochemical system. The Dust Outflow and Deposition to the Ocean project (DODO) aimed to characterize the physical and optical properties of airborne North African dust in two seasons and to use these observations to constrain model simulations, with the ultimate aim of being able to quantify the deposition of iron to the North Atlantic Ocean. The in situ properties of dust from airborne campaigns measured during February and August 2006, based at Dakar, Senegal, are presented here. Average values of the single scattering albedo (0.99, 0.98), mass specific extinction (0.85 m^2 g^-1 , 1.14 m^2 g^-1 ), asymmetry parameter (0.68, 0.68), and refractive index (1.53--0.0005i,1.53--0.0014i) for the accumulation mode were found to differ by varying degrees between the dry and wet season, respectively. It is hypothesized that these differences are due to different source regions and transport processes which also differ between the DODO campaigns. Elemental ratios of Ca/Al were found to differ between the dry and wet season (1.1 and 0.5, respectively). Differences in vertical profiles are found between seasons and between land and ocean locations and reflect the different dynamics of the seasons. Using measurements of the coarse mode size distribution and illustrative Mie calculations, the optical properties are found to be very sensitive to the presence and amount of coarse mode of mineral dust, and the importance of accurate measurements of the coarse mode of dust is highlighted.