Non-invasive measurement of blood parameter with infrared-quantum cascade laser and photoacoustic detection

Diese Arbeit beschreibt wie mit physikalischen Methoden die Glukosekonzentration gemessen werden kann. Die Infrarot-Spektroskopie bietet eine Möglichkeit da die Energie der meisten Molekülschwingungen Photonenenergien im infraroten Spektralbereich entspricht. Hier zeigen Glukosemoleküle charakteristische Absorptionsspektren, die mit spektroskopischen Methoden gemessen werden. Um nicht invasiv zu messen, wurde eine photoakustische Messmethode gewählt. Die Grundidee ist, dass die durch Licht angeregten Moleküle ihre Anregungsenergie teilweise in Form von Wärme abgeben. Da die anregende Strahlung intensitätsmoduliert ist, wird auch die Wärmeentwicklung periodisch verlaufen wodurch periodische Volumenänderungen hervorgerufen werden, die eine Druckwelle erzeugen, die sich durch empfindliche Mikrofone oder Schallwandler erfassen lässt. So kann im MIR auf Grund der hohen Spezifizität, der Glukosegehalt mit sehr hoher Genauigkeit bestimmt werden. Die Wellenlänge der Glukoseabsorptionsbanden im MIR Bereich sind im Wesentlichen gekoppelte C=O Streck- und O–H Biegeschwingungen. Im MIR-Bereich zeigen Spektren zwischen 8,3µm bis 11,1µm fünf glukoserelevanten Banden. Der photoakustische Effekt wird durch die Rosencwaig-Gersho Theorie beschrieben. Die Absorption des Lichtes in der Probe bewirkt eine Temperaturerhöhung, die als Wärme an Umgebung abgegeben wird. Da das eingestrahlte Licht gepulst ist, wird auch die Wärme periodisch abgegeben. Durch die Absorption eines Laserpulses in der Haut entsteht ein Temperaturgradient, die abhängig vom Absorptionskoeffizienten und der Glukosekonzentration ist. Der führt zu einer Diffusion von Wärme im Absorptionsvolumen. Die Hautoberfläche und damit eine dünne Luftschicht über der Hautoberfläche werden durch die Diffusionswärme periodisch mit der Modulationsfrequenz der Laser aufgeheizt, was als Druckschwankungen in Messkammer mit Mikrofon detektiert wird. Im Mitteinfrarot geben Quantenkaskadenlaser die beste Lichtquelle, wegen ihre gute Strahlqualität und hohe optische Leistung. Die verwendete photoakustische(PA) Resonanzzelle ist nach dem Prinzip des Helmholtz-Resonators konzipiert. Der Vorteil des Verstärkungsverhaltens einer resonanten PA-Zelle kann unter Umständen durch Verwendung Volumenreduzierten und mit empfindlichen Mikrofonen ausgestatteten nicht-resonanten PA-Zelle erreicht werde. Zum Erfassung der PA Signale wird eine Kombination aus einen Analog-Digital Wandlerkarte verwendet, die eine gemeinsame Zeitbasis mit der synchronen Lasersteuerung und der Datenerfassung liefert und phasenechte Fourieranalyse der photoakustischen Signale ermöglicht. Es wurde ein Modellsystem entwickelt um photoakustischen Glukosemessungen in vitro zu testen. Dieses „Phantommodell“ besteht aus einer dünnen Polymermembran befestigt in eine Gefäß von nur paar ml Volumen die mit verschiedenen Glukosekonzentrationen gefüllt wurde. Die modulierte Laserstrahlung passiert die Messzelle und dringt durch die Folie in die wässerige Glukoselösung ein. Das Folienmaterial und Dicke wurde so gewählt, dass keineAbsorption im verwendeten MIR-Bereich entsteht. Als Lösung für die jeweiligen Glukosekonzentrationen wurde ein Wasser-Albumin Gemisch verwendet mit einen 10%igen Albuminanteil, die verwendet wurde, um den Proteingehalt der Haut zu imitieren und zu zeigen, dass Eiweiß keinen Störeinfluss im Glukosefingerprintbereich hat. Messungen wurden bei steigenden und fallenden Glukosekonzentration durchgeführt damit gezeigt könnte, dass das Messsignal in der PA- Zelle nicht von der Lufterwärmung in der Zelle stammt, sondern vom PA-Signale der Glukose. Die Glukoseschwankungen in der extrazellulären Flüssigkeit der Epidermis spiegeln die Glukoseschwankungen im Blut gut wider, bei einer Messung am Arm entsteht eine Verzögerung von paar Minuten. Im Daumenballenbereich findet aufgrund der guten Durchblutung ein schneller Austausch der Glukosekonzentration der von uns gemessenen interstitiellen Flüssigkeit mit der Blutzuckerkonzentration statt. Deshalb wurden die in-vivo Messungen am Daumenballen durchgeführt. Das Stratum spinosum ist für uns von Bedeutung, da dies das interstitielle Wasser enthält, in dem der Glukosegehalt mit dem Glukosegehalt im Blut gut übereinstimmt. Die photoakustische Messmethode wird nicht-invasiv durchgeführt. Probanden wird Zucker verabreichet und danach in Abständen von 5 Minuten der Blutzucker konventionell bestimmt und gleichzeitig mittels der photoakustischen Messung am Daumenballen durchgeführt. Mit diesen Daten kann die Korrelation zwischen beiden Methoden bestimmt werden. In vielen in vivo Messreihen zeigen sich bereits in direkter Korrelation zu invasiv genommenen Blutzuckerwerten Korrelationskoeffizienten bis zu R=0,8 und eine damit deutliche Evidenz für einen glukoserelevanten Effekt. Trotz der versprechenden Ergebnisse wird deutlich, dass weitere Entwicklungen notwendig sind, damit das System zu einer direkten Konkurrenz zu der vorhandenen invasiven Meßsystemen werden kann.This Thesis describes like with physical methods the glucose concentration can be measured. The infrared spectroscopy offers a possibility there the energy of most molecule oscillations to photon energy in the infrared spectral range corresponds. Here glucose molecules show the typical absorption spectra which are measured with spectroscopic methods. To measure not invasive, a photoacoustic(PA) measuring method was chosen. The basic idea is that the molecules animated by light deliver her suggestion energy partially in the form of warmth. Because the stimulating radiation is intensity-modulated, the warm development will also run periodically by which periodical volume changes are caused which generate a blast which can be grasped by sensitive microphones or sound converters. Thus is able in to MIR on grounds of the high Specificity to which glucose salary with very high exactness are determined. The wavelength of the glucose absorption gangs in to MIR area are in the essentials coupled C=O Stretching and O-H Bending oscillations. In the MIR-area spectra point between 8.3 µ m to 11.1 µ m to five gangs relevant for glucose. The photoacoustic effect is described by the Rosencwaig- Gersho theory. The absorption of the light in the test causes a temperature rise which is delivered as warmth in surroundings. Because the irradiated light is pulsed, the warmth is also delivered periodically. A temperature gradient which is depending on the absorption coefficient and the glucose concentration originates from the absorption of a laser pulse in the skin. He leads to a diffusion of warmth in the absorption volume. The skin surface and with it a thin air layer above the skin surface are heated by the diffusion warmth periodically with the modulation frequency of the lasers what becomes as pressure fluctuations in measuring chamber with microphone detektiert. In quantum cascade lasers give mid-infrared the best source of light, because of her good ray quality and high optical achievement. The used photoacoustic (PA) resonance cell is conceived after the principle of the Helmholtz resonator. The advantage of the strengthening behaviour of a resonant Pa cell is able to do under circumstances by use volume-diminished and with sensitive microphones equipped non-resonant PA cell is reached. To the capture the PA of signals a combination of an analog-digital converter card is used which delivers a common time base with the synchronous laser control and the data capture and allows phase-real quartermaster's analysis of the photoacoustic signals. A model system was developed to test to photoacoustic glucose measurements in vitro. This "phantom model" exists of a thin polymer membrane fastens in a vessel from only pair of ml volume with different glucose concentrations was filled. The modulated laser radiation passes the measuring cell and penetrates by the foil into the watery glucose solution. The foil material and thickness was so chosen that non Absorption originates in the used MIR-area. As a solution for the respective glucose concentrations a water-albumin mixture was used with a 10%th albumin portion which was used to imitate the protein salary of the skin and to show that egg white has no sturgeon influence in the Glukosefingerprintbereich. Measurements were carried out with rising and falling glucose concentration would be able with the fact shown that the measuring signal comes in the PA cell not from the aerial warming in the cell, but from the PA signal of the glucose. The glucose variations in the extra-cellular liquid of the epidermis reflect the glucose variations in the blood well, with a measurement in the arm there originates a delay of few of minutes. In the ball of the thumb area a quick exchange of the glucose concentration of the interstitiellen liquid measured by us with the blood glucose concentration takes place on account of the good blood circulation. Therefore, were carried out in vivo measurements in the ball of the thumb. The Stratum spinosum matters to us, because this contains the interstitielle water in which the glucose salary agrees with the glucose salary in the blood well. The photoacoustic measuring method is carried out non-invasive. Test persons becomes sugar give and afterwards at a distance of 5 minutes the blood glucose conventionally certainly and at the same time by means of the photoacoustic measurement in the ball of the thumb carried out. With these data the correlation can be determined between both methods. In many in vivo measuring rows correlation coefficients already appear in direct correlation too invasive to taken blood glucose values up to R=0,8 and an evidence clear with it for an effect relevant for glucose. In spite of the promissory results becomes clear that further developments are necessary, so that the system can become a direct competition to the available invasive measuring systems

Fourier Spektroskopische Untersuchungen im Mittleren und Fernen Infrarotbereich an Co 60 bestrahlten und thermisch belasteten ultrahochmolekularen Polyethylen Proben

Fourier Spektroskopische Untersuchungen von hochmolekularem Polyethylen HMW PE und ultrahochmolekularem Polyethylen UHMW PE im Mittleren und Fernen Infrarotbereich können Veränderungen der molekularen Strukturen nachweisen, die durch Co60 amp; 947; Strahlung und Rekristallisationsprozesse initiiert werden. UHMW PE und HMW PE sind im gewählten IR Bereich unterscheidbar. Die integrale Absorption der B1u Gitterschwingungen im Fernen Infrarotbereich THz Bereich ermöglichen die quantitative Beschreibung des Kristallinitätsgrades und dessen Abbau. Die Bildung ungesättigter Vinylengruppen und der Abbau ungesättigter Methylengruppen können im Mittleren Infrarotbereich nachgewiesen werde

Über fokussierende Gitterspiegel zur kontinuierlichen Abstimmung von Quantenkaskadenlasern im THz-Bereich

Die Untersuchung von Molekülwolken im Weltraum ist eine wichtige Voraussetzung um dieVorgänge der Sternentstehung verstehen zu können. Die Moleküle erzeugen diskrete Spektrallinien, die Aufschlüsse über die Zusammensetzung der Wolken liefern. Eine Methode diese Linien zu untersuchen ist das Heterodynverfahren, welches dazu geeignet ist diese Linien in einer hohen spektralen Auflösung zu messen. Zur Durchführung dieses Verfahrens wird ein Lokaloszillator (LO) benötigt, der Frequenzen in derselben Größenordnung wie die zu messenden erzeugt. Der LO muss genügend Strahlenleistung bereitstellen, um möglichst viele Messungen gleichzeitig durchzuführen können. Je kontinuierlicher und monochromatischer die Strahlung des LO bei dem Verfahren ist, desto weiter auseinander liegende Spektrallinien können gemessen und höher aufgelöst werden. Die Zielsetzung dieser Arbeit ist es, die Grundlagen zu entwickeln um einen solchen LO im Terahertz (THz)-Bereich herstellen zu können. Heutige LO im unteren THz-Bereich sind monochromatisch und können kontinuierlich abgestimmt werden. Deren Strahlungsleistung ist jedoch zu gering, um viele Messungen gleichzeitig durchzuführen zu können. Quantenkaskadenlaser (QCL) bieten sich als LO an, da diese eine hohe Strahlungsleistung im THz-Bereich produzieren. Allerdings lassen sie sich nicht ohne weiteres kontinuierlich abstimmen. Ein externer Resonator (ER ) im Littrowaufbau ist eine gängige Methode, um QCL im höheren THz-Bereich abzustimmen. Diese Methode kann aber für den niedrigen Bereich nicht einfach übernommen werden. Speziell das Problem der dafür benötigten Entspiegelung der Facetten des QCL, wurde bis heute nicht vollständig gelöst. Daher konnte bisher kein QCL im unteren THz-Bereich mit einem ER betrieben werden. Das Ziel dieser Arbeit ist es, einen ER in einem Littrowaufbau zur Abstimmung von QCL im unteren THz-Bereich zu entwickeln. Dafür wurde ein fokussierender Gitterspiegel (FG) als ER entwickelt, optimiert, gefertigt und vermessen. Ein FG ist eine Kombination eines Parabolspiegels mit einem Reflexionsgitter, mit der es möglich ist eine Beugungsordnung des Gitters zu kollimieren und gleichzeitig eine in den Brennpunkt der Parabel zurück zu fokussieren. Die Kombination eines Parabolspiegels mit einem Reflexionsgitter hat gegenüber herkömmlichen ER im Littrowaufbau den Vorteil, dass diese die externe Resonatorlänge minimiert und somit die Anzahl der Resonatormoden am stärksten einschränkt. Ein wesentlicher Teil dieser Arbeit bestand darin, ein Verfahren zur Berechnung der Beugungseigenschaften des FG zur Optimierung der FG Parameter zu entwickeln. Das entwickelte Verfahren basiertauf dem Helmholz-Kirchhoffschen Beugungsintegral (HKI). Zur Bestätigung der Berechnungsergebnisse der Beugungseigenschaften, wurde ein auf 460 GHz skalierter FG im Littrowaufbau gefertigt. Mit diesem konnten die Beugungseigenschaften vermessen werden. Die Messergebnisse des 460 GHz-FG entsprachen den berechneten Beugungsintensitäten. Als Quelle wurde ein Gunn-Oszillator in einer Vervielfacherkette anstatt eines QCL genutzt, um die gleichzeitige Entwicklung eines THz-QCL zu unterstützen. Somit konnte in dieser Arbeit zum einen gezeigt werden, dass der FG als ein ER im Littrowaufbau genutzt werden kann. Zum anderen konnte aber auch gezeigt werden, dass sich die Parameter des FG mithilfe des auf das HKI basierenden Verfahrens optimieren ließen. Mit den Ergebnissen dieser Arbeit kann für zukünftige QCL ein FG im Littrowaufbau gefertigt werden

Entwicklung eines chemisch sensitiven Detektors für die Gelpermeationschromatographie auf Basis von Infrarotspektroskopie

In dieser Arbeit wurde eine Kopplung aus FTIR Spektroskopie und Gelpermeationschromatographie entwickelt, die online funktioniert und daher als chemisch sensitiver Detektor eingesetzt werden kann. Die verschiedenen Schritte zur Entwicklung und Optimierung der Methode werden beschrieben und die Anwendung an verschiedenen exemplarischen Fragestellungen gezeigt. Zusätzlich werden erste Ergebnisse einer EC-QCL-Kopplung mit Chromatographie beschrieben

Ein Quantenkaskadenlaser-Spektrometer zur in-situ Bestimmung von CO, NO, N2O und CO2 Konzentrationen in Hochtemperatur-Umgebungen

Optische Messtechniken ermöglichen berührungslose in situ Messungen mit hohen Zeitauflösungen. Aufgrund dieser Vorteile finden sie mehr und mehr Einzug in herausfordernden Messumgebungen wie der Verbrennungsdiagnostik. Neben Methoden wie der Laserinduzierten Fluoreszenz (LIF), der Ramanstreuung und der Coherent Anti-Stokes-Raman Spectroscopy (CARS), haben sich auch Methoden der Absorptionsspektroskopie zur Untersuchung von Verbrennungsprozessen bewährt. Besonders die direkte Absorptionsspektroskopie mit abstimmbaren Diodenlasern (TDLAS) wurde bereits vielfach in der Verbrennungsdiagnostik eingesetzt. In Rahmen dieser Arbeit wurde ein optisches Messsystem in Anlehnung an die TDLAS entwickelt und in der Verbrennungsdiagnostik eingesetzt. Um die Detektivität deutlich zu erhöhen, wurden keine herkömmlichen Halbleiterdiodenlaser verwendet, sondern neuartige Quantenkaskadenlaser (QCL). Dieser bislang jüngste Halbleiterlasertyp zeichnet sich durch Emission im mittelinfraroten Spektralbereich aus, so dass die fundamentalen Schwingungsübergänge angeregt werden und folglich aufgrund der hierfür vorliegenden hohen Absorptionsstärken sehr niedrige Nachweisgrenzen erreicht werden können. Zu diesem Zweck wurden drei DFB-QCLs bei Wellenlängen von 4,4 μm, 4,6 μm und 5,7 μm ausführlich charakterisiert und hinsichtlich für die Spektroskopie relevanter Parameter untersucht. So wurde neben dem dynamischen Abstimmverhalten und dem Strahlprofil auch die Linienbreite der QCLs untersucht, deren Bestimmung aufgrund mangelnder erhältlicher MIR-Komponenten ein nichttriviales Unterfangen ist. Mittels Analyse des Frequenzrauschens an einer molekularen Transmissionsflanke konnte für den QCL bei 4,6 μm eine Linienbreite von 3,5MHz bei einer Beobachtungszeit von 0,1 ms gemessen werden, welche mehr als ausreichend niedrig für die Spektroskopie ist. Die Linienbreite wurde im Rahmen einer Masterarbeit für die anderen beiden QCLs u.a. durch interferometrische Verfahren bestätigt. Das auf Basis der drei QCLs entwickelte Spektrometer ist hoch-sensitiv für CO, N2O, CO2, NO und H2O. Weiterhin ließe sich noch PH3, C2H2, NO+, H2S und NH3 mit guter bis sehr guter Auflösung nachweisen. Der gesamte QCL-Sensor wurde unter Laborbedingungen auf seine Stabilität und experimentell erzielbare Nachweisgrenze untersucht. Die Analyse mittels Allan-Werle-Plot lieferte eine optimale Integrationszeit von 90 s mit einer theoretischen Nachweisgrenze von 223 ppbv für N2O. Die experimentell erzielbare Nachweisgrenze ergab sich in einer weiteren Untersuchung zu etwa 14 ppmv N2O, gemessen mit direkter Absorptionsspektroskopie (DAS). Bei dieser Untersuchung wurde auch die Wellenlängenmodulationsspektroskopie (WMS) angewendet, mit welcher auf Kosten einer komplexeren Methodik eine Nachweisgrenze von 480 ppbv unter denselben Bedingungen gemessen wurde. Aufgrund der möglichen besseren Zeitauflösung und des kalibrationsfreien Verfahrens wurde allerdings für die weiteren Unresuchungen die DAS-Technik der WMS-Technik vorgezogen. Der QCL-Sensor wurde an zwei Verbrennungsprüfständen des Fachgebiets Reaktive Strömungen und Messtechnik (RSM) der Technischen Universität Darmstadt eingesetzt. An einem modifizierten Wolfhard-Parker Brenner wurde die chemische Zusammensetzung von zweidimensionalen, laminaren Methan/Luft-Flammen untersucht. Hierbei wurden Konzentrationsprofile von CO und CO2 mit einer Ortsauflösung von weniger als 500 μm bestimmt. Die Flammentemperatur wurde mittels Zwei-Linien-Thermometrie an CO bestimmt und variiert zwischen 750 K und 2100 K. Die bestimmten Temperaturen decken sich sehr gut mit den mit Thermokopplern gemessenen, so dass an einigen Positionen letztere Werte herangezogen wurden. Es wurden CO Konzentrationen zwischen 65 ppmv und 3,25%vol gemessen, sowie CO2 Konzentrationen zwischen 0,5%vol und 6,5%vol . Die mit QCLAS bestimmten Konzentrationsprofile sind in guter Übereinstimmung mit Referenzdaten vom NIST. Diese wurden für CO und CO2 mit der Massenspektrometrie gemessen und weisen für CO eher kleinere und für CO2 geringfügig größere Konzentrationen auf. Diese Diskrepanz lässt sich hauptsächlich auf die Modifizierung des in dieser Arbeit verwendeten Wolfhard-Parker Brenners zurückführen. Die Modifizierung führt zu geringeren Endflammeneffekten durch eine geringere Verfügbarkeit von Sauerstoff in den Randbereichen. Dies erklärt die mit QCLAS gemessenen höheren Konzentrationen von CO und die niedrigeren Werte für CO2. Bei den Untersuchungen an dem Wolfhard-Parker Brenner handelt es sich um erstmalige QCLMessungen an atmosphärischen Flammen. Am zweiten Prüfstand werden Selbstzündungsprozesse untersucht. Dazu wird Luft mittels Mikrowellenstrahlung auf bis zu 1050 ◦C erhitzt. Der in dieser Arbeit entwickelte QCL-Sensor wurde zur Charakterisierung dieses heißen Luftstroms eingesetzt. Aufgrund der turbulenten Strömung und den Brechungsindexvariationen kam es zu starken Strahlablenkungen, so dass die QCL mit einer eher ungewöhnlich hohen Frequenz von etwa 10 kHz moduliert werden mussten. Dies resultierte in einer exzellenten Zeitauflösung. Es wurden NO-Konzentrationen zwischen 5230 ppmv bei einer Temperatur von 900 K und 8540 ppmv bei 1320 K nachgewiesen. Dies stellen die ersten in situ QCL-Absorptionsmessungen von NO in so hoch erhitzter Luft dar. Weiterhin wurde mit einem Mehrfachdurchgang eine N2O Nachweisgrenze von 7 ppmv bei einer Temperatur von bis zu 1320 K realisiert. Es konnte keine N2O-Absorption im Luftstrom gemessen werden, so dass die QCLAS-Messungen einen N2O-Gehalt niedriger als 7 ppmv bestätigt haben. Da N2O einen starken Einfluss auf die Zündchemie besitzt, ist dieses Ergebnis sehr bedeutsam für weitere Untersuchungen der Selbstzündungsprozesse. In der selbstentzündetenMethan-Flammewurde darüberhinaus erstmals CO gemessen. Mit Zwei-Linien-Thermometrie wurde eine mittlere Flammentemperatur von 2070 K und basierend auf Absorptionsstrecken die aus dem Flammenleuchten ermittelt wurden, CO-Konzentrationen zwischen 2,3%vol und 3,6%vol bestimmt. Resultierend aus einer betreuten Masterarbeit, ergab sich ein neuartiger Ansatz zur Verbesserung der Detektivität des QCL-Sensors. Mittels phasenrichtiger optischer Rückkopplung in den QCL ließ sich das relative Intensitätsrauschen bei Frequenzen im kHz Bereich um bis zu -9,5 dB reduzieren. Auf der Basis dieses Effekts wurde ein Absorptionsexperiment durchgeführt, welches eine um 30% niedrigere Nachweisgrenze unter Rückkopplung im Vergleich zum freilaufenden QCL offenbarte. Mit einem einfachen Rauschmodell konnte ein Zusammenhang zwischen der erzielbaren Rauschunterdrückung und dem auftretenden Frequenzrauschen gezeigt werden. 11

Untersuchungen an auf InP basierenden Halbleitern mit sub-ps Responsezeiten

Inhalt der Arbeit sind Untersuchungen zu mit der Molekularstrahlepitaxie (MBE) realisierten Materialkonzepten für ultra-schnelle Anwendungen in der Photonik. Nominell undotierte und Be dotierte GaInAs/AlInAs Vielfach-Quantenfilm Strukturen (MQW) wurden auf semi-isolierenden InP Substraten bei Wachstumstemperaturen bis zu 100°C mittels MBE (LT-MBE) abgeschieden. Untersucht wurden die kristallinen, elektrischen und optischen Eigenschaften dieser Schichtstrukturen im unbehandelten und ausgeheilten Zustand. Die elektrischen und optischen Eigenschaften der LT-MQWs sind auf Zustände nahe der Leitungsbandkante von GaInAs zurückzuführen. Die Dynamik der Ladungsträgerrelaxation wurde durch Anrege- und Abtastexperimente bestimmt. Messungen der differentiellen Transmission mit zusätzlicher Dauerstrichanregung, sowie Messungen mit zwei kurz aufeinander folgenden Anregepulsen, belegen das Potential von Be dotierten unbehandelten (ausgeheilten) LT GaInAs/AlInAs MQW Strukturen für die Verwendung in optischen Schaltern mit Schaltfrequenzen in der Größenordnung von 1 Tbit/s (250 Gbit/s). Die spannungsinduzierten Änderung der Interband-Transmission von Quantenkaskadenlaser (QCL) im gepulsten Betrieb wurde anhand von 8 Band k*p Berechnungen analysiert. Die Auswirkungen unterschiedlicher Ladungsträgerverteilungen und Probenerwärmung sind gegenüber dem dominierenden Effekt des elektrischen Feldes auf die Interband Transmission zu vernachlässigen. Der Einfluss von MBE Wachstumsparameter auf die Grenzflächenqualität von AlAsSb/GaInAs Heterostrukturen wurde anhand von Hall Messungen, temperatur- und intensitätsabhängigen PL Messungen, spektralen Messungen der Interband- und Intersubbandabsorption bestimmt. Bandstruktur-Näherungsrechnungen ermöglichten, den Einfluss von In Segregation und Sb Diffusion auf die Intersubbandabsorption zu analysieren. Intersubband Übergänge bei Wellenlängen von ca. 1800 nm (1550 nm) wurden in MQW (gekoppelten QW) Strukturen realisiert.The present work describes investigation of new material concepts accomplished using molecular-beam-epitaxy (MBE) growth for application in ultra-fast photonic components. Nominally undoped and Be doped GaInAs/AlInAs multiple-quantumwell structures (MQW) were grown by MBE at growth temperatures down to 100 °C (LT-MBE) on semi-insulating InP substrates. Crystalline, electric and optical properties of as-grown and annealed structures were investigated. Energy states near the conduction band of GaInAs determine the electrical and optical properties of LT-MQWs. The dynamics of charge carrier relaxation was studied by means of pump and probe experiments. Measurements of the differential transmission when excited by an additional cw laser and measurements utilizing two closely sequenced pump pulses support the capability of Be doped as-grown (annealed) LT GaInAs/AlInAs MQW structures for use in optical switches at switching frequencies in the 1 Tbit/s (250 Gbit/s) range. The voltage-induced change of interband transmission of InP based quantum-cascade-lasers (QCL) during pulsed mode operation was analyzed by means of 8 band k*p calculations. The impacts of varying charge carrier distributions and of electrically heated samples can be neglected compared to the dominating effect of the electrical field on the interband transmission. The impact of MBE growth parameters on the interface quality of AlAsSb/ GaInAs heterostructures were determined by means of Hall measurements, temperature- and intensity-dependent PL measurements and spectral measurements of the interband- and intersubband-absorption. The impact of In segregation and Sb diffusion on the intersubband absorption was analyzed on the basis of bandstructure calculations. Intersubband transitions at wavelengths of about 1800 nm (1550 nm) were successfully achieved in MQW (coupled QW) structures

Entwicklung und Aufbau eines BWO-basierten 1,9 THz Lokaloszillatoren für den Heterodynempfänger GREAT

Astronomische Beobachtungen im Bereich der THz-Frequenzen geben Aufschluss über die Entwicklung der interstellaren Materie in unserem Universum. Als wichtigste Kühllinie dichter Molekülwolken ist die Detektion des Feinstrukturübergangs von einfach-ionisiertem atomarem Kohlenstoff CII bei der Frequenz von 1,9 THz von fundamentaler Bedeutung. Wünschenswert ist das Studium astronomischer Quellen hinsichtlich ihrer Dynamik, Temperatur und Dichte mit möglichst hoher sowohl räumlicher als auch spektraler Auflösung. Heterodynempfänger sind für diese Aufgabe am besten geeignet. Bei dieser Technologie wird das astronomische Signal mittels eines Lokaloszillatoren (LO) auf eine Zwischenfrequenz von wenigen GHz umgesetzt und dann rauscharm weiterverstärkt. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung und der Aufbau des LOs für den 1,9 THz Frequenzkanal des Mehrkanalheterodynempfängers German REceiver for Astronomy at THz-Frequencies (GREAT) der auf dem Flugzeugobservatorium Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy (SOFIA) zum Einsatz kommen wird. Für den Aufbau des LOs wurde auf eine Kombination zweier THz-Strahlungsquellen bestehend aus einem Rückwärtswellenoszillator (Backward-Wave Oscillator, BWO) und einem Frequenzverdreifacher zurückgegriffen. Dieser Ansatz erforderte die Entwicklung einer astigmatisch-abbildenden Submillimeteroptik, um die Leistungsankopplung zwischen BWO und Frequenzverdreifacher zu verbessern. Des Weiteren wurden im Rahmen dieser Arbeit ein zweistufiger Phasennachlaufregelkreis zur Frequenzstabilisierung des LO-Ausgangssignals sowie ein leistungsstarkes Kühlsystem zur Beseitigung der Abwärme des BWOs entwickelt. Im LO integriert wurden ferner zahlreiche Schutzmechanismen die die Betriebssicherheit des LOs gewährleisten. Kapitel 1 dieser Arbeit ist als Einleitung zu verstehen. Hierin werden im ersten Teil astronomische Beobachtungen im Bereich der THz-Frequenzen motiviert und das SOFIA-Flugzeug und der GREAT-Empfänger vorgestellt. Der zweite Teil dieses Kapitels widmet sich den physikalischen Grundlagen von THz-Empfängern. Kapitel 2 gibt einen Überblick über aktuelle THz-Strahlungsquellen und motiviert die Verwendung von BWO-Röhren. Im nachfolgenden Kapitel 3 werden drei vorliegenden BWO-Röhren anhand einer Vielzahl von Messungen charakterisiert, bevor in Kapitel 4 der Aufbau des 1,9 THz LOs im Detail beschrieben wird. Hiernach finden sich in Kapitel 5 sämtliche Messungen die mit dem fertiggestellten LO-System durchgeführt wurden. Dies beinhaltet sowohl Testmessungen zur Charakterisierung des LO-Systems als auch die im Rahmen der Inbetriebnahme des 1,9 THz Kanals von GREAT getätigten Messungen. Im letzten Teil dieses Kapitel wird die Portabilität und Handhabbarkeit des entwickelten LO-Systems anhand einer Reihe von spektroskopischer Messungen demonstriert. Die Arbeit schließt mit einer Zusammenfassung der Ergebnisse, welche gleichermaßen als Ausblick zu verstehen ist