Loss mechanisms and heat management in Mid-IR VECSEL at continuous wave operation

Abstract

In dieser Arbeit wurden multiple PbSe/PbSrSe Dünnschichten, monolithisch gewachsen auf Si(111) Substraten, untersucht. Photoluminezenz-Messungen bei Temperaturen zwischen 100-300K wurden durchgeführt mit einem 1.55-m Anregungslaser mit Leistungen von 30-607W/mm^2. Die bei der Photolumineszenz freiwerdende Emissionsenergie wurde mit sogenannten tuning Koeffizienten in Abhängigkeit von sowohl Temperatur als auch Anregungsleistung in Einheiten von meV/K und meV/(W/mm^2) beschrieben. Die temperaturabhängige Intensität der Photolumineszenz wurde mit einer kritischen Temperatur charakterisiert, ab welcher die Intensität abzunehmen beginnt. Es konnte gezeigt werden, dass für dickere multiple Dünnschichten die Intensität mit höherer Temperatur abzunehmen beginnt als bei dünneren. Transmissionsmessungen bei unterschiedlichen Temperaturen wurden durchgeführt und verglichen mit Photolumeszenz-Messungen um eine Überhitzung der Probe - bedingt durch den Anregungslaser - abzuschätzen. Temperaturen von +50K bei 48W/mm^2 wurden mittels dieser Methode berechnet. Diese Versuchsreihe wurde ergänzt mit einer Photolumineszenz-Charakterisierung von monolithisch gewachsenen Dünnschichten auf einem hoch reflektierenden Halbleiterspiegel. Die optische Modulation durch den Spiegel in der aktiven Schicht wurde im Abschnitt 6.5 diskutiert.

In this work PbSe/PbSrSe multiple quantum well (QW) heterostructures monolithically grown on top of Si(111) substrates were investigated. Photoluminescence (PL) measurements at temperatures ranging from 100-300K were performed exciting with a 1.55-m pump laser with powers varying from 30-607W/mm^2. The tuning of the PL emission maximum in dependence of temperature as well as excitation powers were described with linear tuning coefficients in units of meV/K and meV/(W/mm^2) respectively. The temperature dependent PL intensity was characterized with a critical temperature, at which intensity started to drop. It could be shown that for thicker QWs intensities drop with higher temperatures compared to thinner QWs. Transmission measurements at different temperatures were performed and compared to PL measurements to estimate the temperature overheating on a sample due to the excitation laser. Temperatures of +50K at 48W/mm^2 were calculated with this method. These experiments were complemented with PL characterization performed in QW heterostructures monolithically grown on top of a highly reflective semiconductor Bragg mirror. The optical modulation by the mirror in the active layer is discussed in section 6.5.