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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-18184
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/1818/


Maier, Thomas

Bispektrale Detektion und optische Nichtlinearitäten in Quantentopf-Infrarot-Photodetektoren

Dual-band detection and optical nonlinearities in quantum well infrared photodetectors

Dokument1.pdf (9.795 KB) (md5sum: 3388c6325ce7454a0b9343aad16a0239)

Kurzfassung in Deutsch

Quantentopf-Infrarot-Photodetektoren (QWIPs) erlauben die Herstellung von Infrarot-Kameras mit thermischen Auflösungen im Bereich weniger mK. Ihre Funktionsweise basiert auf optischen Übergängen zwischen quantisierten Niveaus eines zweidimensionalen Elektronengases, welches in Halbleiter-Heterostrukturen erzeugt wird. Die Übergangsenergien und damit die Detektionswellenlängen sind nur durch Quantisierungseffekte bestimmt und können durch Variation der Schichtparameter eingestellt werden.

In der Arbeit wird die intrinsische spektrale Schmalbandigkeit der Detektoren für eine zeit- und ortsgleiche Detektion thermischer Strahlung im zweiten (Wellenlängenbereich 3-5µm) und dritten (8-12µm) atmosphärischen Fenster genutzt, was eine berührungslose Bestimmung der absoluten Temperatur ermöglicht. Dazu werden zwei QWIP-Strukturen bestehend aus GaAs/AlGaAs/AlAs bzw. InGaAs/AlGaAs monolithisch integriert. Die beiden QWIP-Strukturen lassen sich dabei unabhängig voneinander optimieren und auf die Anforderungen bispektraler Detektion abstimmen. So werden Verfahren zur Anpassung der Signalpegel vorgestellt. Ebenso erfordern die dem QWIP zugrunde liegenden Transportmechanismen eine Anpassung der Dunkelleitfähigkeit, um den QWIP für das zweite atmosphärische Fenster bei den erforderlichen tiefen Temperaturen betreiben zu können. Es werden die auftretenden Zeitkonstanten untersucht und zwei Methoden zur Erhöhung der Dunkelleitfähigkeit der QWIPs analysiert. Zudem wird untersucht, wie Strahlung mithilfe von Beugungsgittern bispektral eingekoppelt werden kann. Das vorgestellte Detektionskonzept ermöglichte die Realisierung einer Dual-Band-Bildfeldmatrix mit 384 x 288 Bildpunkten, welche erstmals thermische Auflösungen unterhalb von 30 mK (f/2-Optik, 6.8ms Integrationszeit) in beiden Detektionsbereichen erreicht.

Ferner werden Detektoren beschrieben, die auf eine quadratische Leistungsabhängigkeit hin optimiert sind. Dazu werden die Quantentöpfe so dimensioniert, dass drei energetisch äquidistante Niveaus entstehen und nur Elektronen zum Signal beitragen können, die durch Absorption zweier Photonen in den zweiten angeregten Zustand gelangen können. Aufgrund der resonant überhöhten Nichtlinearität zeigen die Proben einen nichtlinearen Absorptionskoeffizienten, welcher um mehr als sechs Größenordnungen über demjenigen in Volumenmaterial liegt, so dass bis zu äußerst geringen Anregungsdichten von 0.1W/cm² ein quadratisches Signal nachgewiesen werden konnte. Unter Anregung kurzer Pulse eignen sich solche Systeme zur Analyse der Lebensdauer und Dephasierungszeiten von photoangeregten Elektronen in quasi-zweidimensionalen Elektronengasen. So konnte der Einfluss der Dotierungkonzentration auf diese Relaxationszeiten untersucht werden. Außerdem werden topfdotierte und modulationsdotierte Proben miteinander verglichen. Mit ihrer hohen Empfindlichkeit und einer Zeitauflösung im sub-ps-Bereich sind diese Detektoren von Interesse für die Laserpuls-Diagnostik und haben erstmals die Charakterisierung modengekoppelter Quantenkaskadenlaser trotz deren noch geringen Pulsenenergien ermöglicht.


Kurzfassung in Englisch

Quantum-well infrared photodetectors (QWIPs) allow for the realisation of infrared camera systems with thermal resolutions of a few mK. The optical transitions used for the detection occur between quantised states in a two-dimensional electron gas. The transition energies and thus the detection range are controlled by varying the parameters of the semiconductor heterostructure.

In this work, a detector for simultaneous pixel-registered detection of thermal radiation in the second and third atmospheric windows is presented. This dual-band detector comprises two stacked QWIPs consisting of GaAs/AlGaAs/AlAs and InGaAs/AlGaAs. Due to the genuine narrowband characteristics of intersubband transitions detection with negligible spectral cross-talk is accomplished allowing for remote absolute temperature measurements. The individual QWIP layers are optimised for dual-band detection including the compensation of the difference in the photon fluxes. Moreover, the carrier transport resulting from space charge compensation is studied using frequency dependent photocurrent measurements. Additionally, the influence of the diffraction grating parameters used for the radiation coupling is analysed. Based on this detection concept a dual-band focal plane array with 384 x 288 pixels with thermal resolutions below 30mK in both bands (f/2 optics, 6.8ms integration time) was realised.

Moreover, detectors being optimised to quadratic dependence of the photocurrent on the incident power density are presented. The detector consists of three energetically equidistant subbands. The photocurrent arises from electrons that are photoexcited into the second excited state by absorbing two photons. Due to the almost double resonant character of the excitation optical nonlinearities are more than six orders of magnitude larger as compared to bulk material resulting in quadratic power dependence down to excitation densities as low as 0.1W/cm². The carrier dynamics and the influence of the quantum-well doping both on lifetime and dephasing time constants of photoexcited electrons in a quasi-two-dimensional electron gas are studied. Due to their high sensitivity these devices provide an ultra-sensitive tool with sub-ps response time for the characterisation of ultrashort mid-infrared laser pulses. First autocorrelation measurements on a mode-locked quantum cascade laser are demonstrated.


SWD-Schlagwörter: Heterostruktur , Nichtlineare Optik , Galliumarsenid / Aluminiumarsenid / Mischkristall , Infrarotdetektor , Autokorrelation , Infrarotkamera , Infrar
Freie Schlagwörter (deutsch): QWIP , Dual-Band , bispektrale Detektion , Laserpuls-Diagnostik, Dephasierung , Lebensdauer
Freie Schlagwörter (englisch): dual-band , dual-color , laser pulse diagnostics, dephasing time , lifetime
PACS Klassifikation 73.90.+f , 78.67.De , 73.40.Kp , 73.63.Hs , 73.21.Fg
Institut: Physikalisches Institut
Fakultät: Fakultät für Mathematik und Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Koidl, Peter (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 15.06.2005
Erstellungsjahr: 2005
Publikationsdatum: 14.07.2005
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