@phdthesis{Fuchs2014,
  author    = {Fuchs, Peter},
  title     = {Monolithische Quantenkaskadenlaser mit monomodiger und weit abstimmbarer Emission},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-109432},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2014},
  abstract  = {Ausgehend von mittels Molekularstrahlepitaxie im InGaAs/InAlAs/InP Materialsystem gewachsenen Lasermedien wurden monochromatische Quantenkaskadenlaser f{\"u}r die GasSensorik mit Emission im mittleren Infrarot entworfen, hergestellt und charakterisiert. Vorrangige Ziele waren hierbei die Entwicklung von leistungsstarken monomodigen Lasern im langwelligen Spektralbereich um 14 µm, sowie von Bauteilen mit weiter und schneller spektraler Abstimmbarkeit. F{\"u}r den Entwurf der Laserstege wurde zun{\"a}chst die zeitliche Entwicklung der Temperaturverteilung f{\"u}r verschiedene Varianten von Wellenleitern sowohl im gepulsten als auch im kontinuierlichen Betrieb simuliert. Anhand der berechneten thermischen Bauteilwiderst{\"a}nde konnten so geeignete Prozessparameter f{\"u}r die Herstellung der Laserstrukturen ermittelt werden Zur Herstellung von monochromatischen DFB-Lasern auf Basis eines MesaWellenleiters mit Seitenwandgittern wurde ein Prozess entwickelt, der sich - im Vergleichzu g{\"a}ngigen Verfahren zur Strukturierung von DFB-Gittern - durch eine stark reduzierte Anzahl an Verfahrenschritten und eine schnelle und einfache Durchf{\"u}hrbarkeit auszeichnet. F{\"u}r Laser mit 4 mm L{\"a}nge und 14 µm mittlerer Breite wurde eine Spitzenleistung {\"u}ber 200 mW bei einer externen Effizienz von 330 mW/A und einer Schwellstromdichte von 2,1 kA/cm^2 bei Raumtemperatur bestimmt. DFB-Laser um 14 µm, welche - durch die große Wellenl{\"a}nge bedingt - h{\"o}here Schwellstromdichten aufweisen, wurden dagegen auf Basis von nasschemisch ge{\"a}tzten Doppelkanal-Wellenleitern mit in die Oberseite des Steges ge{\"a}tzten Gittern und dickem Gold auf den Stegflanken hergestellt, um eine bessere laterale W{\"a}rmeabfuhr zu erreichen. Basierend auf der Analyse des Strahlprofils und des Emissionsspektrums war trotz der großen Stegbreite ausschließlich Betrieb auf der Grundmode zu beobachten. So konnte eine Spitzenleistung von 810 mW bei einer Schwellstromdichte von 4,3 kA/cm^2 bei Raumtemperatur erreicht werden. Um eine gr{\"o}ßere spektrale Abstimmbarkeit zu erreichen als dies mit DFB-Lasern m{\"o}glich ist, wurde ein Lasertyp auf Basis von zwei gekoppelten Fabry-P erot Kavit{\"a}ten entworfen, hergestellt und untersucht. Mit diesem Konzept konnte {\"u}ber eine geringe Stromvariation ein Umschalten zwischen verschiedenen Resonanzen erreicht werden, was bei konstanter Temperatur der W{\"a}rmesenke um Raumtemperatur einen Abstimmbereich von 5,2 cm^-1 erm{\"o}glichte. Unter Einbeziehung einer Variation der Temperatur der W{\"a}rmesenke konnte monomodige Emission in einem Spektralbereich von 52 cm^-1 erreicht und die Tauglichkeit der Laser f{\"u}r die Gas-Sensorik anhand einer Absorptionsmessung an Ammoniak demonstriert werden. Da die monomodige Spitzenleistung dieser Laser jedoch konzeptbedingt auf wenige mW beschr{\"a}nkt war, wurde f{\"u}r den Einsatz weit abstimmbarer Laser in der Spurengasanalytik im letzten Teil der Arbeit ein anderer Lasertyp mit flachge{\"a}tztem Bragg-Reflektor entwickelt. Durch sorgf{\"a}ltige Wahl der Gitterparameter und ein spezielles Puls-Schema wurde eine {\"u}ber 30 cm^-1 quasi-kontinuierlich abstimmbare, monomodige Emission erreicht. Die Stabilit{\"a}t und die spektrale Reinheit des Laserlichts mit einer Seitenmodunterdr{\"u}ckung von mehr als 30 dB konnte anhand von zeitaufgel{\"o}sten Messungen des Abstimmvorgangs und durch ein Absorptionsexperiment mit Ethen belegt werden. Die erzielte spektrale Aufl{\"o}sung war durch die Messelektronik begrenzt und betrug 0,0073 cm^-1. Zudem ergab sich auch die M{\"o}glichkeit einer Analyse des thermischen {\"U}bersprechens, welche einen vernachl{\"a}ssigbaren Einfluss f{\"u}r den Pulsbetrieb der Laser zeigte und eine moderate Erw{\"a}rmung benachbarter Segmente um 10\% des f{\"u}r das vors{\"a}tzlich beheizte Segment gemessenen Wertes. Des Weiteren konnte dank der M{\"o}glichkeit zur unabh{\"a}ngigen Strominjektion in verschiedene Sektionen die Temperaturabh{\"a}ngigkeit von Verst{\"a}rkung und Absorption im Resonator untersucht werden. Herausstechende Eigenschaften dieser Laser wie die Verringerung der gepulsten Chirprate im Vergleich zu DFB-Lasern um den Faktor 3 konnten anhand von systematischen Untersuchungen mit einer Vielzahl von Bauteilen analysiert und auf die zeitlicheTemperaturentwicklung bzw. die r{\"a}umliche Temperaturverteilung im Lasersteg zur{\"u}ckgef{\"u}hrt werden. Die optische Spitzenleistung von 600 mW und externe Effizienzen bis 300mW/A sollten auch den Einsatz in der Spurengasanalyse erlauben, die hohe Geschwindigkeit mit der die Emissionswellenl{\"a}nge variiert werden kann, {\"u}berdies die Untersuchung der Reaktionskinetik in der Gasphase.},
  subject      = {Quantenkaskadenlaser},
  language  = {de}
}