| dc.date.accessioned | 2020-10-09T07:32:30Z | |
| dc.date.available | 2020-10-09T07:32:30Z | |
| dc.date.issued | 2020 | |
| dc.identifier | doi:10.17170/kobra-202010081898 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/123456789/11861 | |
| dc.language.iso | eng | eng |
| dc.rights | Urheberrechtlich geschützt | |
| dc.rights.uri | https://rightsstatements.org/page/InC/1.0/ | |
| dc.subject | random lasing | eng |
| dc.subject | amplified spontaneous emission | eng |
| dc.subject | wrinkling | eng |
| dc.subject | photonics | eng |
| dc.subject | laser | eng |
| dc.subject | bio materials | eng |
| dc.subject.ddc | 500 | |
| dc.title | Optical Amplification in Disordered Waveguiding Systems | eng |
| dc.type | Dissertation | |
| dcterms.abstract | Bei dem Phänomen der verstärkten Emission in ungeordneten Systemen handelt es sich um ein wiederentdecktes und über die letzten Jahrzehnte stark debattiertes Themengebiet in der Literatur. Diese Dissertation soll hierzu zwei experimentelle Ansätze bieten, wobei beide in der Lage sind, bei optischer Anregung entweder Random Lasing oder Verstärkte Spontane Emission zu zeigen.
In dieser Arbeit wird thermisch induzierte Faltenbildung (Wrinklebildung) als neuer Ansatz zur Herstellung von Streuzentren in wellenleitenden Mehrschichtsystemen herangezogen, um somit resonante Random Laser Moden zu erzeugen. Hierzu wurden zwei dünne, organische Schichten mit eingebettetem Laserfarbstoff auf einen oxidierten Siliziumwafer aufgetragen. Durch Tempern bildete die Oberfläche Wrinkles aus. Um die Probeneigenschaften gezielt designen zu können, wurde die morphologische Entwicklung der Wrinklebildung in Abhängigkeit von der Zeit sowie der jeweiligen Schichtdicke der Mittelschicht und der Deckschicht untersucht. Hierbei wurde der Einfluss auf Schlüsselparameter wie etwa der mittlere Abstand zweier Wrinklemaxima sowie die mittlere Modulationstiefe analysiert und ihre Entwicklung mit gängigen theoretischen Modellen verglichen. Während für den mittleren Abstand eine Korrelation mit den Schichtdicken festzustellen war, konnte keine Abhängigkeit der Höhenunterschiede mit Messgrößen erkannt werden. Über theoretische Simulationen konnte der Modulationstiefen bedingte Einfluss auf den effektiven Brechungsindex und somit auf die Streufähigkeit der Proben ermittelt werden. Durch spektroskopische Untersuchungen des Verhaltens der gewrinkleten Mehrschichtssysteme beim optischen Pumpen konnte resonantes Random Lasing nachgewiesen werden. Die Ursache der Modenbildung liegt in der faltenbildungsinduzierten Streuung innerhalb des gestörten Wellenleiters. Weiterhin wurde die Änderung der Halbwertsbreite sowie der Ausgangsintensität mit steigender Fluenz des anregenden Pulses gemessen und die Art der Strahlung je nach Anwesenheit der schmalstbandigen resonanten Moden in Random Lasing oder „amplified spontaneous emission“ (ASE) eingeteilt. Durch statistische Analysen konnte neben allgemeinen Tendenzen der Proben auch eine Faustregel für eine hohe Wahrscheinlichkeit der Anwesenheit resonanter Random Laser Moden angegeben werden. Die Ergebnisse werden mit theoretischen Ansätzen der Distributed Feedback Laser sowie vergleichbaren Random Laser Systemen in der Literatur verglichen. Während Ähnlichkeiten festzustellen waren, ist der Ursprung resonanter Random Laser Moden in diesen Proben jedoch komplexer aufgebaut und lässt sich nicht dem einen oder anderen Ansatz zuordnen. Dennoch eignet sich diese Art der Proben durch ihren simplen Aufbau und der geringen Anzahl an Parametern für den Vergleich von experimentellen und theoretischen Ergebnissen.
Weiterhin wird kommerziell erhältliches Kopierpapier als ein in der Forschung nicht beachtetes, direkt einsatzbereites und ungeordnetes Fasersystem zur optischen Verstärkung präsentiert. Optische Aufheller, welche an den Cellulosefasern des Papiers anhaften, sind für ihre Absorption im UV-Bereich und die breitbandige, blaue Emission bekannt und lassen das Papier für das menschliche Auge weiß erscheinen. Mit zunehmender Eingangsintensität veränderte sich das Spektrum von einer breiten Bande zu einem schmalbandigen ASE Peak. Durch die Verwendung eines Papiertyps aus reiner Cellulose sowie der Zugabe eines gängigen optischen Aufhellers konnte die schmalbandigen ASE reproduziert werden. Der Einfluss einzelner Fasern sowie eines Bündels von Fasern auf die Ausprägung der ASE wurde studiert und unterschiedliche Fasergeometrien untersucht. Um die Wechselwirkung zwischen Cellulose und dem optischen Aufheller zu analysieren, wurden Festkörper-NMR Messungen herangezogen. Coumarin 307 und handelsübliche Textmarker wurden auf beide Papiertypen angewendet und optisch gepumpt. Hierbei konnte eine Verschiebung der Peak-Wellenlänge der ASE zu höheren Wellenlängen festgestellt werden. Als eine künftige Anwendung könnten diese Systeme in der Feldforschung im Sinne einer hochadaptiven Quelle für ASE dienen, welche durch UV-LEDs gepumpt und nach Bedarf dem Experiment in der ASE-Wellenlänge angepasst werden könnte. | ger |
| dcterms.abstract | The phenomenon of amplified emission in disordered systems has resurrected great interest and has remained a highly debated topic in literature over the last two decades. This thesis aims to provide experimental insights into two types of random media devices, both capable of either random lasing or amplified spontaneous emission upon optical pumping.
First, thermally induced wrinkling is introduced as a novel approach to generate scattering in wave guiding multilayer systems. The devices consist of two thin, organic films with an embedded laser dye on top of an oxidized silicon wafer. Upon thermal annealing, the sample surface wrinkles. In order to design the device properties, both, the morphological development of such wrinkles with time, as well as the respective layer thicknesses of the sandwiched and cladding layer, are studied. Their influence towards key parameters, namely the average peak to peak distance of the wrinkles and the average modulation depth of wrinkles, is analyzed and a comparison with theoretical models is presented. While the peak to peak distance correlates with the respective layer thickness, the modulation depth is postulated to be a result of the local interfacial tensions of each sample, and hence, no dependency could be detected. In addition, theoretical simulations are performed to determine the influence of the wrinkle modulation depth on the effective refractive index of the wave guiding system, and thus, on its tendency to scatter. In combination with the study of the spectral behavior of the wrinkled multi-layered devices upon optical pumping, resonant random lasing as a result of wrinkle-induced scattering is successfully demonstrated. The change of the full width at half maximum and the output intensity at the peak wavelength is measured and the respective spectra are classified according to presence of resonant random laser modes or amplified spontaneous emission. A statistical analysis of the obtained results is shown and a set of criteria to achieve high probability of resonant random laser modes in a sample are derived from the results. The findings are compared with the theory of distributed feedback lasers and comparable random laser devices in literature. While similarities are present, the overall effect that leads to random lasing in these devices appears to have a more complex nature. Nevertheless, due to its simple structure, these types of devices could act as a model to investigate the origin of resonant random lasing both, from a theoretical and experimental aspect.
Next, commercially available copy paper is presented as an overlooked, all-solid, and ready to use device for optical amplification of light in a disordered substrate. The fluorescent brightening agents that are attached to cellulose fibers in paper are known to absorb in the UV region and show a broad, blue emission to maintain a white paper impression to the human eye. With increasing pumping intensity, the optical spectrum of these brightening agents changes from broad fluorescence to a narrow-banded amplified spontaneous emission peak. By using pure cellulose paper and adding a common fluorescent brightening agent, the emission of narrow-banded amplified spontaneous emission could be reproduced in the experiments. The influence of a single fiber and a bundle of fibers towards light amplification as well as the shape of fibers is studied. In order to determine the interaction of the fluorescent brightening agent and cellulose, solid-state NMR studies are performed. Coumarin 307 and common, commercially available highlighter dyes are applied to both types of paper and are optically pumped. As a result, the peak wavelength of the amplified spontaneous emission shifts towards higher wavelengths. These findings suggest possible future applications of these devices as flexible and easy-to-built light sources and, pumped with a small, pulsed UV-LED, could act as an excellent addition for optical out of lab analysis. | eng |
| dcterms.accessRights | open access | |
| dcterms.creator | Hoinka, Nicolai Morten | |
| dcterms.dateAccepted | 2020-09-03 | |
| dcterms.extent | xi, 140 Seiten | |
| dc.contributor.corporatename | Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Mathematik und Naturwissenschaften, Institut für Chemie | ger |
| dc.contributor.referee | Fuhrmann-Lieker, Thomas (Prof. Dr.) | |
| dc.contributor.referee | Kusserow, Thomas (Prof. Dr.) | |
| dc.subject.swd | Zufallslaser | ger |
| dc.subject.swd | Spontane Emission | ger |
| dc.subject.swd | Faltenbildung | ger |
| dc.subject.swd | Photonik | ger |
| dc.subject.swd | Laser | ger |
| kup.iskup | false | |
