Multilayer passive radiative selective cooling coating based on Al/SiO2/SiNx/SiO2/TiO2/SiO2 prepared by dc magnetron sputtering

A multilayer passive radiative selective cooling coating based on Al/SiO2/SiNx/SiO2/TiO2/SiO2 prepared by dc magnetron sputtering is presented. The design was first theoretically optimized using the optical constants, refractive index and extinction coefficient, of thin single layers. The spectral optical constants in the wavelength range from 0.3 to 27 µm were calculated from the transmittance and reflectance data of thin single layers deposited on silicon and glass substrates. The samples were characterized by Scanning Electron Microscopy, X-ray diffraction, Fourier-transform Infrared Spectroscopy and UV–VIS–NIR spectroscopy. It is shown that the TiO2 layer presents a partially rutile phase polycrystalline structure and a higher refractive index than amorphous SiO2 and SiNx layers in the spectral range from 0.3 to 2.5 μm. The cooling device was deposited on copper substrates and a thin low-density polyethylene foil with high transmittance in the 8 to 13 µm spectral range was used as convection cover material. The device is characterized by both low reflectance (high emittance) in the sky atmospheric window (wavelength range from 8 to 13 µm) and high hemispherical reflectance elsewhere, allowing for temperature drops of average 7.4 °C at night-time in winter, which corresponds to a net cooling power of ~43 W m−2. Further, a temperature drop of 2.5 °C was obtained during winter daytime.FCT in the framework of the Strategic Funding UID/FIS/04650/2013 and the financial support of FCT, POCI and PORL operational programs through the project POCI-01-0145-FEDER-016907 (PTDC/CTM-ENE/2892/2014), co-financed by European community fund FEDE

Mid- to far-infrared sensing: SrTiO3, a novel optical material

Polar dielectric crystals have been proposed as a disruptive technological solution to the inflated expectations of plasmonics. The excitation of low-loss surface-phonon polaritons and localized surface-phonon resonances throughout the IR spectrum gives rise to new opportunities, otherwise unachievable due to the inherent losses of metal-based plasmonics. In this work we present, for the first time, the exciting capabilities of SrTiO3, an important technological material that has been overlooked as an active element for nano-photonics

External Cavity Quantum Cascade Lasers

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

Parameteroptimierung einer Steuerung für Automatikgetriebe in Kraftfahrzeugen

Die Steuerung eines Automatikgetriebes in Kraftfahrzeugen besteht im wesentlichen aus der Schaltpunktsteuerung, die die Schaltstufe festlegt, und der Schaltqualitätssteuerung, die die Hydraulik zur Durchführung des Gangwechsels steuert. Fast alle Fahrzeughersteller entscheiden sich bei der Schaltpunktsteuerung für eine feststehende Struktur, mit der die grundsätzlichen Verhaltensweisen und Abläufe festgelegt werden, und frei wählbare Parameter, über die das Schaltprogramm an ein bestimmtes Fahrzeug angepaßt wird. Durch die Vielzahl der Parameter und die Komplexität des Gesamtsystems "Fahrer-Fahrzeug-Steuerung" ist die Bestimmung der Parameter sehr aufwendig und mit vielen Testfahrten verbunden. Ziel der Arbeit ist daher die Entwicklung eines automatisierten Verfahrens zur Bestimmung der Parameter in der Schaltpunktsteuerung. Der grundlegende Lösungsansatz besteht darin, die Aufgabenstellung als Optimierungsproblem zu formulieren. Auf Basis einer Analyse des Systems "Fahrer-Fahrzeug-Steuerung" werden die in Frage kommenden Optimierungsverfahren eingegrenzt und schließlich die Evolutionsstrategien ausgewählt. Das Optimierungsziel, ein optimales Schaltverhalten, ist in hohem Maße subjektiv geprägt. Die Festlegung erfolgt im Rahmen einer Versuchsfahrt, während der der Fahrer zu den erlebten Schaltvorgängen über kleine Hebel Wünsche und Kommentare abgibt. Aus diesen Angaben wird zusammen mit den aufgezeichneten Schaltvorgängen das gewünschte Schaltverhalten generiert. Mit Hilfe einer Simulation der Getriebesteuerung wir nun in einem iterativen Optimierungsablauf die Fahrt mit verschiedenen Parametern simuliert, bis die Differenz zum optimalen Schaltverhalten minimal wird. Hierzu sind zusätzlich zwei flankierende Maßnahmen erforderlich: Die Teilung der Simulationläufe in Fahrhistorien sichert die Vergleichbarkeit der simulierten Fahrten ab. Zusätzlich werden über eine Hauptkomponentenanalyse die Zahl der Parameter in Kennlinien und -felder reduziert und deren Variation begrenzt. Anhand der subjektiven Bewertungen und Meßergebnisse konnte gezeigt werden, daß das vorgestellte Verfahren die Komplexität der Aufgabenstellung bewältigt

Konfigurierung flexibler Steuerungen in Entwicklung und Inbetriebnahme

Die heute verfügbaren Steuerungen lassen sich in hohem Maße an die Erfordernisse des Kunden anpassen. Die hiermit verbundenen Wahlmöglichkeiten sind zunehmend schwerer zu überschauen. Einen Ausweg aus der Komplexität stellt die Wahl geeigneter Zielkriterien dar. Die Steuerungsparameter werden durch ein Optimierungsverfahren bestimmt, das die gefundenen Lösungen an der realen Anlage oder in einer Simulation anhand dieser Zielkriterien bewertet. Evolutionsstrategien haben sich hierbei aufgrund ihrer Flexibilität und Robustheit besonders gut bewährt