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In der vorliegenden Arbeit wurden zeitaufgelöste optische und magneto-optische Untersuchungen an den halb-metallischen gemischtvalenten Manganatverbindungen La0.67Ca0.33MnO3 und Nd0.7Sr0.3MnO3 durchgeführt, die wichtige Informationen über die nach der optischen Anregung ablaufenden Relaxationsprozesse lieferten. Dabei wird das zu untersuchende Material mittels eines intensitätsstarken ultrakurzen Lichtpuls angeregt. Die dadurch erzeugten Änderungen in der komplexen dielektrischen Funktion der Probe tastet man mittels eines zweiten intensitätsschwächeren ultrakurzen Lichtpuls ab. Durch eine variable Weglängendifferenz zwischen den optischen Wegen des Anregeund des Abtastpulses erzeugt man eine variable Zeitverzögerung und kann damit die Änderungen in der dielektrischen Funktion zeitaufgelöst untersuchen....
Die vorliegende Diplomarbeit lässt sich dem Gebiet der Terahertz-Physik (THz-Physik) zuordnen, also dem Gebiet der Physik, das sich mit der Erzeugung und Detektion von Ferninfrarotstrahlung beschäftigt. THz-Strahlung stellt dabei die Verbindung zwischen den elektromagnetischen Mikrowellen und den Wellen des infraroten Frequenzbereiches dar. Damit umfasst der THz-Bereich Frequenzen von etwa 100 GHz bis zu 100 THz. Die Forschung, die sich mit diesem Frequenzbereich beschäftigt, ist mittlerweile stark differenziert. Dabei geht es auf der einen Seite um die Entwicklung neuer bzw. die Weiterentwicklung und Optimierung bestehender THz-Erzeugungs- und Detektionsverfahren, auf der anderen Seite geht es um die Frage nach den möglichen Anwendungsgebieten für die entwickelten THz-Techniken. Entwickelt werden sowohl gepulste wie auch Dauerstrich-THz-Systeme, die auf einer Vielzahl verschiedener physikalischer Emissionsprozesse basieren. Die Anwendungsseite der THz-Forschung umfasst Gebiete wie die Spektroskopie, d.h. die Materialcharakterisierung und -untersuchung, aber auch komplexe biomedizinische Untersuchungsverfahren, wie z.B. die Krebsdiagnostik in der Onkologie. In der Bandbreite der weltweiten THz-Aktivitäten befindet sich diese Arbeit sowohl im Bereich der Entwicklung von THz-Techniken als auch in dem eher anwendungsbezogenen Bereich: Zunächst werden im zweiten Kapitel die verwendeten THz-Techniken und Messaufbauten vorgestellt, ebenso wie deren Funktionsweisen und speziellen Eigenschaften. Das dritte Kapitel beschäftigt sich mit der experimentellen Untersuchung von großflächigen THz-Emittern in gepulsten Lasersystemen. Diese weisen gegenüber den häufig verwendeten punktförmigen THz-Emittern einige grundlegende Unterschiede auf. Diese Unterschiede sollen zunächst durch die in das Kapitel einführenden theoretischen Grundlagen herausgearbeitet und danach anhand eines elektrooptischen Emitters und eines elektrisch vorgespannten Halbleiteremitters überprüft werden. In den folgenden Kapiteln wendet sich der Fokus dann mehr der Anwendung von THz-Strahlung zu. Dazu finden im vierten Kapitel Überlegungen und Experimente zu der Charakterisierung von, zunächst anorganischen, mehrschichtigen Systemen auf der Basis von Halbleiterstrukturen statt, die mit einem Ausblick auf eine biomedizinische Anwendung der THz-Strahlung, bei der Untersuchung von Zähnen, abgeschlossen werden. Im fünften Kapitel soll ein Silizium-Paraffin-Gemisch auf seine Stoffigenschaften untersucht werden. Für dieses Gemisch lassen sich die Stoffeigenschaften im THz-Bereich mittels des Mischungsverhältnisses der beiden Ausgangsmaterialien anpassen. Mögliche Anwendungen für ein solches Material sind indexangepasste Füllungen von Zwischenräumen, um störende Reflexionen an den jeweiligen Grenzflächen zu vermeiden; so wie die Konstruktion von Antireflexionsschichten für THz-Optiken. Beide Anwendungen werden in Form von Experimenten vorgestellt. Abschließend werden alle Ergebnisse in einem Fazit zusammengefasst, und es erfolgt ein Ausblick auf weitere Untersuchungen.
Es wurde eine Meßstation zum Vermessen von THz-Photomischern vorgestellt und aufgebaut. Weiterhin konnte gezeigt werden, wie diese Station es ermöglicht, das Vermessen von THz-Photomischern, im Vergleich zum bisher verwendeten Meßaufbau, deutlich zu vereinfachen und zu beschleunigen. Mit dieser Station wurden zwei Proben, die sich in der Dicke der LT-GaAs-Schicht unterscheiden, vermessen. Um die gemessenen Daten analysieren zu können wurden zuvor beschrieben, wie eine Modulation des Photostroms in Photomischern erhalten und damit THz-Strahlung erzeugt werden kann. Gemessen wurde die THz-Leistung in Abhängigkeit von Frequenz , Vorspannung und Leistung der optischen Beleuchtung. Diese Messungen haben zu Ergebnissen geführt, die nur zum Teil mit den theoretisch vorhergesagten Ergebnissen übereinstimmen. So wurde festgestellt, daß nur etwa 1 bis 2 % der theoretisch erwarteten THz-Leistung detektiert wurde. Dies kann an langlebigen Ladungsträgern liegen, die im Substrat erzeugt werden. Diese Ladungsträger unterhalb der LT-GaAs-Schicht führen zu einer erhöhten Leitfähigkeit und können dadurch Reflexion und Absorption von THz-Strahlung verursachen. Diese Vermutung wird unterstützt durch die Beobachtung einer starken Reduktion des Signals in einem gepulsten THz-System, wenn eine konstante Hintergrundbeleuchtung eingeschaltet wird.[45] Weiterhin ist nicht auszuschließen, daß die für die THz-Erzeugung relevante Lebenszeit der Ladungsträger deutlich größer ist, als die mit Anrege-Abfrage-Messungen bestimmte. Analog könnte auch eine deutlich höhere Kapazität des Photomischers als die theoretisch berechnete diese Beobachtung erklären. Ob langlebige Ladungsträger im Substrat für die geringe gemessen Leistung verantwortlich sind kann überprüft werden, indem zwischen Substrat und LT-GaAs-Schicht einen Bragg-Refelektor gewachsen wird. So kann verhindert werden, daß eingestrahlte Leistung das Substrat erreicht. Dadurch können keine Ladungsträger im Substrat angeregt werden. Zusätzlich hat dies den Effekt, daß ein größerer Anteil der eingestrahlten Strahlung absorbiert werden kann, weil die einfallende Strahlung wegen der Reflexion zweimal durch die LT-GaAs-Schicht läuft. Ein solcher Mischer wurde bereits von E. R. Brown vorgeschlagen.[46] Bei den Messungen der THz-Leistung gegen Vorspannung konnte beobachtet werden, daß der Photostrom eine andere Abhängigkeit von der Vorspannung zeigt, als theoretisch vorhergesagt wurde. Erwartet wurde ein linearer Zusammenhang. Bei höheren Vorspannungen wurde aber ein stärkerer Anstieg beobachtet. Dies kann z.B. an einem zusätzlichen nichtlinearen Strom durch das Substrat oder an einer vom elektrischen Feld abhängigen Lebenszeit der Ladungsträger liegen. Für beide Erklärungsansätze wurden vereinfachte Modelle vorgestellt. Beide Modelle treffen dabei unterschiedliche Vorhersagen über die Änderung der Effizienz beim Auftreten des höheren Stromes. Deutlich werden die Unterschiede in den Vorhersagen im Frequenzverlauf. So führt ein zusätzlicher Strom durch das Substrat zu einer Verringerung der Effizienz um einen von der Frequenz unabhängigen konstanten Faktor. Der Frequenzverlauf verschiebt sich also zu geringeren Effizienzen. Eine Erhöhung der Lebenszeit hingegen führt zu einem geänderten Frequenzverlauf. So ist die Änderung der Effiienz bei niedirgen Frequenzen gering, zu höheren Frequenzen hin ändert sich die Effizienz jedoch immer stärker. Die Vorhersagen beider Modelle wurden mit dem gemessenen Daten verglichen. Bei den gegebenen Parametern war der Unterschied zwischen den beiden Modellen jedoch zu gering und die Fluktuation in den Meßdaten zu hoch, um entscheiden zu können, welches der beiden Modelle die gemessenen Daten besser beschreibt. Um erkennen zu können, welches der Modelle den Effekt beschreibt, der zu einem höheren Strom führt, müßte der Effekt in den Meßdaten erhöht werden. Dies kann geschehen, indem zusätzlich bei höheren Spannungen gemessen wird. Es müßte dabei allerdings die optische Leistung reduziert werden, um ein Zerstören der Mischer zu vermeiden. In dieser Arbeit konnte somit gezeigt werden, daß die aufgebaute Meßstation ein vereinfachtes Messen von THz-Photomischern ermöglicht. Weiterhin konnte das Verhalten von zwei vermessenen Mischern gezeigt und analysiert werden, sowie weitere Messungen vorgeschlagen werden, die eine exaktere Analyse der Photomischer ermöglichen sollten.
