Optical Amplification in Disordered Waveguiding Systems

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.