ZnSe-basierte Mikrokavitäten:Eine vielseitige Plattform zur Gestaltung der schwachen und starken Licht-Materie-Wechselwirkung

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden zwei Themenschwerpunkte untersucht. Einerseits stand in einer Kooperation mit der Firma Principia Lightworks (Woodland Hills, USA) und dem P. N. Lebedev Physical Intitute (Moskau, Russland) die Weiterentwicklung elektronenstrahlgepumpter oberflächenemittierender Laser (eVCSEL) für den grünen und blauen Spektralbereich im Mittelpunkt. Dazu wurden epitaktische Spiegel in das Konzept der eVCSEL integriert, welche die zuvor verwendeten dielektrischen Spiegel ersetzen sollen.
In dieser Machbarkeitsstudie wurden erstmals Strukturen mit einem unteren epitaktischen DBR für den grünen Spektralbereich hergestellt, die trotz teilweise starker struktureller Mängel Leistungen von bis zu 3,2W zeigen. Dieser Wert ist vergleichbar mit den besten in der Literatur vorgestellten grünen eVCSEL, welche ausschließlich dielektrische DBRs aufweisen. Eine strukturell optimierte Probe ohne epitaktischen DBR zeigte mit P = 5,9W nahezu eine Verdopplung der zuvor berichteten maximalen Leistung. Im blauen Spektralbereich wurde erstmals ein eVCSEL mit epitaktischem DBR und einer Leistung von 1,2W realisiert. Mit Hilfe einer Struktur ohne epitaktischen DBR konnte unter vergleichbaren Anregungsbedingungen mit P = 3,3W ebenfalls eine Steigerung der Leistung im Vergleich zur Literatur realisiert werden. Obwohl sämtliche Strukturen mit epitaktischem DBR im Rahmen der Studie nicht optimiert wurden und deutliches Verbesserungspotential aufweisen, unterstreichen die präsentierten Ergebnisse das Leistungsvermögen ZnSe-basierter eVCSEL.
Als potentielles Anwendungsgebiet dieser Bauelemente ist die Integration in Laser-Projektoren vorgesehen. Zukünftig könnten solche Laser mit Leistungen im Watt-Bereich z.B. in Kinos eingesetzt werden, wie in Abbildung 6.1 dargestellt ist [159]. Eine zentral und von den Besuchern getrennt positionierte wassergekühlte Lichtfarm, welche Hochleistungslaser in den Grundfarben Rot, Grün und Blau enthält, erzeugt das Licht. Dieses wird über optische Fasern zu den einzelnen Kinosälen transportiert, wobei pro Farbe und Saal eine Faser benötigt wird. Die Lichteinkopplung erfolgt in den im Kinosaal befindlichen Projektor, welcher das in ihm erzeugte Bild auf die Leinwand projeziert. Durch diesen Ansatz wird pro Kinogebäude im kostentechnischen Optimalfall nur noch ein zentrales lichtgebendes Element benötigt, in dem die drei RGB-Laser mit möglichst hoher Ausgangsleistung untergebracht sind.

Der zweite Schwerpunkt lag in der Entwicklung von Mikrokavitäten mit ZnSe-QWs zur Untersuchung der starken Licht-Materie-Wechselwirkung. Dieses erfolgte in Zusammenarbeit mit M. Richard am Institut Néel (Grenoble, Frankreich) und mit K. Sebald in der Arbeitsgruppe Halbleiteroptik an der Universität Bremen. Als wesentliche Ergebnisse konnte die starke Kopplung sowie das polaritonische Lasing in einer ZnSe-basierten MC nahe Raumtemperatur (T = 270K) nachgewiesen werden. Weiterhin wurde die Polariton-Phonon-Wechselwirkung zwischen T = 4K – 270K untersucht, der Einfluss eines Einschlusspotentials auf die Polaritonen und die starke Kopplung zwischen Exzitonen und der ersten hochenergetischen Bragg-Mode eines DBRs. Für diesen Themenkomplex wurde die Konzeption, die epitaktische Umsetzung und die strukturelle sowie optische Charakterisierung verschiedenster ZnSe-basierter MCs dargelegt. Dabei konnten die Vorteile des ZnSe-Systems mit einer hohen kristallinen Qualität, einer hohen Exziton-Bindungsenergie und Oszillatorstärke sowie einem hohen Gütefaktor der hergestellten Strukturen gezielt genutzt werden, um Untersuchungen der starken Licht-Materie-Wechselwirkung über einen weiten Temperaturbereich durchzuführen, zu interpretieren und theoretisch zu beschreiben.
Dieses Verständnis eröffnet die Möglichkeit des Studiums fundamentaler physikalischer und vor allem quantenmechanischer Prozesse eines Viel-Teilchen-Systems bis Raumtemperatur. Zudem ergibt sich die Möglichkeit der Realisierung einer Vielzahl zukünftiger polaritonischer Anwendungen wie beispielsweise Laser geringer Schwelle als neue Quelle kohärenten Lichtes, Polariton-Laser für optische Hochgeschwindigkeits-Schalter über den Polariton-Spin, Polaritonen in Schaltkreiselementen wie z.B. Wellenleiter, Interferometer und optische Gatter oder auch Polaritonen in diskreten Moden zur Verwendung in Quanteninformations-Protokollen.