Bispektrale Detektion und optische Nichtlinearitäten in Quantentopf-Infrarot-Photodetektoren

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. <br> <br>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. <br> <br>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.

Author dc:creator

• Maier, Thomas

Contributors dc:contributor

• Koidl, Peter

• QWIP
• Dual-Band
• bispektrale Detektion
• Laserpuls-Diagnostik, Dephasierung
• Lebensdauer
• dual-color
• laser pulse diagnostics, dephasing time
• lifetime

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