Terahertz quantum-cascade lasers for spectroscopic applications

Terahertz (THz) quantum-cascade lasers (QCLs) are unipolar semiconductor heterostructure lasers that emit in the far-infrared spectral range. They are very attractive radiation sources for spectroscopy, since they are very compact and exhibit typical output powers of severalmWas well as linewidths in the MHz to kHz range. This thesis presents the development of methods to tailor the emission characteristics of THz QCLs and employ them for spectroscopy with highest resolution and sensitivity. In many cases, these spectroscopic applications require that the far-field distribution of the THz QCLs exhibits only a single lobe. However, multiple lobes in the far-field distribution of THz QCLs were experimentally observed, which were unambiguously attributed to the typically employed mounting geometry and to the cryogenic operation environment such as the optical window. Based on these results, a method to obtain a single-lobed far-field distribution is demonstrated. A critical requirement to employ a THz QCL for high-resolution spectroscopy of a single absorption or emission line is the precise control of its emission frequency. This long-standing problem is solved by a newly developed technique relying on the mechanical polishing of the front facet. A QCL fabricated in this manner allows for spectroscopy at a maximal resolution in the MHz to kHz range, but its accessible bandwidth is usually limited to a few GHz. In contrast, a newly developed method to utilize QCLs as sources for THz Fourier transform spectrometers enables highly sensitive spectroscopy over a significantly larger bandwidth of at least 72 GHz with a maximal resolution of typically 100 MHz. The application of QCLs as sources for THz Fourier transform spectroscopy leads to a signal-to-noise ratio and dynamic range that is substantially increased by a factor of 10 to 100 as compared to conventional sources. The results presented in this thesis pave the way to routinely employ THz QCLs for spectroscopic applications in the near future

Arbeitsprozesswissen im Fokus von individuellem und organisationalem Lernen. Ergebnisse aus Großbetrieben in vier europäischen Ländern

Der Beitrag stellt dar, welche Bedeutung Lernen im Medium beruflicher Arbeitsprozesse besitzt, wenn Betriebe Maßnahmen so genannten organisationalen Lernens ergreifen. Auf Basis einer Literaturstudie wurden Kriterien organisationalen Lernens entwickelt und sowohl in eine qualitative als auch in eine quantitative empirische Erhebung umgesetzt, an der sich wissenschaftliche Institute und Großbetriebe der chemischen Industrie aus Belgien, Deutschland, Italien und England beteiligt haben. Der gemeinsame Nenner in allen vier Untersuchungsbetrieben besteht in dem Versuch, die Entwicklung und Aneignung von Arbeitsprozesswissen aufseiten der Mitarbeiter zu stimulieren, dieses Wissen zu evaluieren, zu dokumentieren und in der Organisation zu verbreiten. Dieser Versuch wird von den Mitarbeitern mitgetragen und honoriert; offen bleibt jedoch die Frage nach der berufsbiografischen Bedeutung organisationalen Lernens. (DIPF/Orig.)The authors describe the significance of learning in the medium of working processes in the case of companies introducing measures of so-called organizational learning. On the basis of a study of pertinent literature, criteria of organizational learning are developed and translated into both a qualitative and a quantitative empirical survey in which scientific institutes and large enterprises from the sector of chemical industry in Belgium, Germany, Italy, and England participated. The factor common to all four companies studied lies in the attempt to stimulate the development and acquisition of knowledge about working processes, to evaluate and document this knowledge and to spread it throughout the organization. This attempt is supported and acknowledged by the employees. The vocational-biographical significance of organizational learning, however, remains an open question. (DIPF/Orig.

Hyperechogenität der Substantia nigra: Prävalenz und Assoziation mit kardiovaskulären Risikoprofilen

Unter dem Einfluss des demographischen Wandels hin zu einer immer älteren Bevölkerungsstruktur, ist mit einer starken Zunahme altersabhängiger, neurodegenerativer Erkrankungen, wie dem idiopathischen Parkinson-Syndrom (PD) und der Alzheimer-Demenz (AD), zu rechnen. Der Früherkennung dieser neurodegenerativen Erkrankungen kommt deshalb eine wachsende Bedeutung zu. In den letzten Jahren konnten bereits motorische, nicht-motorische und bildgebende Marker für die präklinische bzw. prämotorische Phase dieser neurodegenerativer Erkrankungen identifiziert werden. Als wichtiger Vulnerabilitätsfaktor für PD hat sich eine Hyperechogenität der Substantia nigra (SN+) in der transkraniellen Sonographie (TCS) herausgestellt, die mit einem mehr als 17-fach erhöhtem Risiko assoziiert ist an PD zu erkranken. Da jedoch anzunehmen ist, dass nicht jeder Mensch mit einer SN+ PD entwickelt, erscheint es vielversprechend Kombinationen unterschiedlicher Prämarker für die Etablierung einer Screeningbatterie in Risikokohorten neurodegenerativ gesunder Probanden zu untersuchen. Welche Ausprägung kardiovaskuläre Risikofaktoren und -profile in Risikokohorten für PD vorliegen und welche Rolle sie für die Frühdiagnostik spielen könnten, wurde bisher nicht untersucht. Die vorliegende Studie untersuchte deshalb die Prävalenz einer hyperechogenen SN und betrachtet zum ersten Mal die Assoziation zu kardiovaskulären Risikoprofilen in einer Kohorte neurodegenerativ gesunder Probanden mit und ohne Risikofaktoren für neurodegenerative Erkrankungen. Das Studienkollektiv rekrutierte sich aus der TREND- und der PRIPS-Studie und umfasste für die vorliegenden Untersuchungen 889 Probanden. Es wurden eine Anamnese bezüglich kardiovaskulärer Risikofaktoren, eine transkranielle Sonographie (TCS) zur Detektion der Echogenität und Fläche der SN sowie die Messung der Intima-Media-Dicke (IMD) der Arteria carotis communis dextra durchgeführt. Die Informationen über kardiovaskuläre Risikofaktoren wurden weiterhin im Sinne eines Scores als vaskulärer Belastungsindex (VBI) ausgewertet. Die Prävalenz einer SN+ war mit dem Ultraschallsystem ACUSON Antares in der populationsbasierten PRIPS-Kohorte etwas geringer als in einer Vorstudie mit dem Ultraschallsystem Sonoline ELEGRA. Der Grenzwert für eine SN+ war mit dem erstgenannten Gerätetyp höher, was auf eine bessere Auflösungsfähigkeit zurückzuführen sein könnte. In der TREND-Risikokohorte mit neurodegenerativen Prämarkern war eine SN+ etwa doppelt so häufig wie in der populationsbasierten PRIPS-Kohorte. Kardiovaskuläre Risikofaktoren waren in der TREND-Kohorte seltener, die Intima-Media-Dicke geringer als in der PRIPS-Kohorte. Lediglich arteriosklerotische Vorerkrankungen wurden in der TREND-Kohorte häufiger angegeben. In der Einteilung in Risikokategorien nach SN-Echogenität zeigte sich ebenso eine Häufung von Arteriosklerose in der TREND-Gruppe mit SN+ und in dieser Gruppe auch höhere durchschnittliche IMD-Werte sowie eine höhere Rate an pathologischen IMD-Werten als in der normoechogenen und der hyperechogenen, populationsbasierten Gruppe. Die höhere Prävalenz einer SN+ in einer Kohorte neurodegenerativ gesunder Probanden mit Risikofaktoren für Neurodegeneration ist im Einklang mit Ergebnissen einschlägiger Studien. In einer Subgruppe mit annehmbar hohem Risiko für PD, suggeriert durch gemeinsames Vorliegen des Vulnerabilitätsmarkers SN-Hyperechogenität und neurodegenerativer Prämarker, ergeben sich zudem klinische und sonografische Hinweise auf arteriosklerotische Veränderungen größerer Gefäße. Die Messung der IMD könnte folglich ein wertvoller Indikator subklinischer Großgefäßpathologien und eines assoziierten Phänotyps in einer Subgruppe von PD sein. Weitere Studien sind notwendig um zu aufzuklären, ob eine klinisch asymptomatische Arteriosklerose großer oder kleiner hirnversorgender Gefäße oder kardiovaskuläre Risikofaktoren im Allgemeinen den Beginn, den Phänotyp und/oder den Progress in einer Subgruppe von PD beeinflussen

Die Katastrophe als Herausforderung: Fukushima als Thema der Naturwissenschafts- und Technikdidaktik

In dem Beitrag wird die Reaktorkatastrophe von Fukushima (März 2011) samt den ihr folgenden energiepolitischen Veränderungen zum Anlass genommen, nach den Reaktionen der naturwissenschaftlichen und technischen Didaktik zu fragen. Der empirische Befund ist, dass der Didaktikdiskurs davon wenig beeinflusst ist. Gründe dieser Nicht-Beachtung findet der Autor in den theoretischen Problemen der Fachdidaktik, hier: Technikdidaktik, sowie in einem zu engen Aufgabenverständnis für den Fachunterricht

Evidence for frequency comb emission from a Fabry-Pérot terahertz quantum-cascade laser

We report on a broad-band terahertz quantum-cascade laser (QCL) with a long Fabry-Pérot ridge cavity, for which the tuning range of the individual laser modes exceeds the mode spacing. While a spectral range of approximately 60 GHz (2 cm−1) is continuously covered by current and temperature tuning, the total emission range spans more than 270 GHz (9 cm−1). Within certain operating ranges, we found evidence for stable frequency comb operation of the QCL. An experimental technique is presented to characterize frequency comb operation, which is based on the self-mixing effect

Der Einfluss der Praxisphase in einem technischen Lehr-Lern-Labor auf die subjektiven Theorien Lehramtsstudierender - Entwicklung und Erprobung eines reflexionsfördernden Settings unter Verwendung der Repertory-Grid-Methode

In der Ausbildung von Lehrkräften ist es allgemein anerkannt, dass die pra-xisnahe Erfahrung einen wichtigen Beitrag zur Professionalisierung leistet. Ähnlich verhält es sich mit der reflexiven Auseinandersetzung von Individuen mit ihren subjektiven Theorien, welche in zahlreichen Publikationen mit dafür verantwortlich gemacht werden, inwiefern wir Entscheidun-gen im Unterricht aber auch bereits bei der Unterrichtsplanung treffen. Es stellt sich allerdings die Frage, inwieweit sich eine solche reflexive Auseinandersetzung Studierender mit ihren subjektiven Theorien im Lehramtsstudium umsetzen lässt. Als Ort der praxisnahen Erfahrung dient in unserem Kontext ein Lehr-Lern-Labor. Hierbei handelt es sich um ein in die Lehramtsausbildung imple-mentierten Lernort, in der außerschulisches Lernen und studentische Lehramtsausbildung ver-knüpft werden. Zur Erfassung und Offenlegung subjektiver Sichtweisen wird die Repertory-Grid-Methode unter Verwendung eines Prä-Post-Settings genutzt. In diesem Beitrag soll aufgezeigt werden, inwiefern die Arbeit im Lehr-Lern-Labor eingebettet in ein solches Setting zur reflexiven Auseinandersetzung Studierender mit ihren subjektiven Theorien beitragen kann

Effective group dispersion of terahertz quantum-cascade lasers

Terahertz (THz) quantum-cascade lasers (QCLs) are based on complex semiconductor heterostructures, in which the optical gain is generated by intersubband transitions. Using the spacing of the laser modes in the emission spectra, we have determined the effective group refractive index for more than one hundred THz QCLs of the hybrid design with Fabry-Pérot resonators based on single-plasmon waveguides. The experimentally obtained values of for emission frequencies between 2.5 and 5.6 THz generally follow the trend of derived from electromagnetic simulations. However, for a certain number of QCLs, the experimental values of exhibit a rather large deviation from the general trend and the simulation results. From a thorough analysis, we conclude that differences in the optical gain/loss spectra are responsible for this deviation, which lead to a modification of the dispersion in the active region and consequently to altered values of. The analysis also provides evidence that these differences in the gain/loss spectra originate from both, the details of the design and the gain broadening due to interface roughness. © 2020 The Author(s). Published by IOP Publishing Ltd

Continuous tuning of two-section, single-mode terahertz quantum-cascade lasers by fiber-coupled, near-infrared illumination

The dynamical tuning due to rear facet illumination of single-mode, terahertz (THz) quantum-cascade lasers (QCLs) which employ distributed feedback gratings are compared to the tuning of single-mode QCLs based on two-section cavities. The THz QCLs under investigation emit in the range of 3 to 4.7 THz. The tuning is achieved by illuminating the rear facet of the QCL with a fiber-coupled light source emitting at 777 nm. Tuning ranges of 5.0 and 11.9 GHz under continuous-wave and pulsed operation, respectively, are demonstrated for a single-mode, two-section cavity QCL emitting at about 3.1 THz, which exhibits a side-mode suppression ratio better than -25 dB

Terahertz quantum-cascade lasers as high-power and wideband, gapless sources for spectroscopy

Terahertz (THz) quantum-cascade lasers (QCLs) are powerful radiation sources for high-resolution and high-sensitivity spectroscopy with a discrete spectrum between 2 and 5 THz as well as a continuous coverage of several GHz. However, for many applications, a radiation source with a continuous coverage of a substantially larger frequency range is required. We employed a multi-mode THz QCL operated with a fast ramped injection current, which leads to a collective tuning of equally-spaced Fabry-Pérot laser modes exceeding their separation. A continuous coverage over 72 GHz at about 4.7 THz was achieved. We demonstrate that the QCL is superior to conventional sources used in Fourier transform infrared spectroscopy in terms of the signal-to-noise ratio as well as the dynamic range by one to two orders of magnitude. Our results pave the way for versatile THz spectroscopic systems with unprecedented resolution and sensitivity across a wide frequency range