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Crystalline supermirrors for infrared applications

Lukas Perner

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Physik

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (DissG: Physik)

Betreuer*in

Oliver H. Heckl

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DOI

10.25365/thesis.75012

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-12562.05347.874882-6

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Diese kumulative Dissertation stellt eine umfassende Untersuchung der Entwicklung, Charakterisierung und Anwendung von substratübertragenen kristallinen Bragg‐Spiegeln auf der Basis von Galliumarsenid (GaAs) und Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) vor, die speziell für den mittleren Infrarot‐Spektralbereich entwickelt wurden. Wir entwickeln und charakterisieren die ersten hochreflektierenden substrat‐transferierten kristallinen Spiegel mit einer Zentralwellenlänge oberhalb von 4 μm. Diese Coatings erreichen einen optischen Verlust (Absorption und Streuung A + S) von 7 Parts per million (ppm) und eine Transmission T pro Spiegel von 144 ppm bei einer Zentralwellenlänge von 4.54 μm. Die Studie identifiziert auch einen einzigartigen, von der Polarisationsorientierung abhängigen Verlustmechanismus, der auf die elastische Anisotropie von verspannten epitaktischen Multischichten zurückzuführen ist. Wir geben auch eine gründliche Beschreibung der Geräte und der Methodik, die für die Charakterisierung dieser Spiegel verwendet wurden. Darüber hinaus beschreiben wir einen allgemeinen, innovativen und äußerst anpassungsfähigen Ansatz zur gleichzeitigen Messung der Brechungsindizes von zwei Materialien durch die Untersuchung einer Dünnschicht‐Heterostruktur. Mit dieser Methode messen wir die Brechungsindizes von GaAs und AlGaAs über einen breiten Spektralbereich von 2.0 μm bis 7.1 μm. Durch eine Kombination von Fourier‐Transform‐Infrarotspektrometrie und Rasterelektronenmikroskopie liefert diese Methode schlüssig Brechungsindexwerte mit relativen Unsicherheiten in der Größenordnung von 10⁻⁴. Diese aktualisierten Werte sind von entscheidender Bedeutung für das Design, die Herstellung und die Charakterisierung von zukünftigen aktiven und passiven optischen Geräten, einschließlich substrat‐transferierter kristalliner Spiegel. Schließlich berichten wir über einen weiteren Meilenstein in der Entwicklung von Superspiegeln im mittleren Infrarotbereich. Zum einen demonstrieren wir komplett kristalline GaAs/AlGaAs‐basierte Bragg‐Spiegel mit einer Zentralwellenlänge von 4.45 μm, die in der Lage sind, Finesse‐Werte von 231 000 (entsprechend T = 9.33 ppm und A + S = 4.27 ppm) in einem optischen Resonator mit zwei Spiegeln zu erreichen. Zum anderen stellen wir das Konzept der kristallin‐amorphen Hybridspiegel vor, die einen ionenstrahlgesputterte Basis‐Multilayer mit einer substratübertragenen kristallinen Heterostruktur kombinieren. Diese Hybridspiegel erreichen eine Finesse von 409 000 bei 4.45 μm (T = 2.53 ppm, A + S = 5.17 ppm) in einem Zwei‐Spiegel‐Resonator. Wir beschreiben auch die Methoden, die zur Demonstration dieser Ergebnisse verwendet werden. Wie eine im Rahmen dieser Studie durchgeführte spektroskopische Proof‐Of‐Principle‐Messung gezeigt hat, eröffnen beide Technologien eine breite Palette von Anwendungen im mittleren Infrarotbereich, einschließlich Umweltwissenschaften, Erkennung von flüchtigen Emissionen und Atemgasanalyse.

Abstract

(Englisch)

This cumulative doctoral thesis presents a comprehensive investigation into the development, characterization, and application of substrate‐transferred crystalline Bragg mirrors based on gallium arsenide (GaAs) and aluminum gallium arsenide (AlGaAs), specifically tailored for the mid‐infrared spectral region. We develop and characterize the first highly reflective substrate‐transferred crystalline mirrors with a center wavelength above 4 μm. These coatings achieve an excess optical loss (absorption and scatter A + S) of 7 parts per million (ppm) and a per‐mirror transmittance T of 144 ppm at a center wavelength of 4.54 μm. The study also identifies a unique polarization‐orientation‐dependent loss mechanism, attributed to the elastic anisotropy of strained epitaxial multilayers. We also give a thorough description of the devices and methodology used for the characterization of these mirrors. Furthermore, we provide a general, innovative, and highly adaptable approach to measuring the refractive indices of two materials simultaneously by probing a thin film heterostructure. Using this methodology, we measure the refractive indices of GaAs and AlGaAs over a broad spectral range from 2.0 μm to 7.1 μm. Utilizing a combination of Fourier-transform infrared spectrometry and scanning electron microscopy, this methodology conclusively yields refractive index values with propagated relative uncertainties on the order of 10⁻⁴. These updated values are crucial for the design, fabrication, and characterization of next‐generation active and passive optical devices, including substrate‐transferred crystalline mirrors. Finally, we report on another milestone in the development of mid‐infrared supermirrors. On the one hand, we demonstrate all‐crystalline GaAs/AlGaAs‐based Bragg mirrors with a center wavelength of 4.45 μm, capable of achieving finesse values of 231 000 (corresponding to T = 9.33 ppm and A + S = 4.27 ppm) in a two‐mirror optical cavity. On the other hand, we introduce the concept of crystalline‐amorphous hybrid mirrors, combining an ion‐beam‐sputtered base multilayer with a substrate‐transferred crystalline heterostructure. These hybrid mirrors achieve a two‐mirror cavity finesse of 409 000 at 4.45 μm (T = 2.53 ppm, A+S = 5.17 ppm). We also describe the methods used to demonstrate these results. Both technologies unlock a wide array of mid‐infrared applications, including environmental sciences, detection of fugitive emissions, and breath‐gas analysis, as demonstrated in a proof‐of‐principle spectroscopic measurement conducted as part of this study.

Autor*innen

Lukas Perner

Haupttitel (Englisch)

Crystalline supermirrors for infrared applications

Paralleltitel (Deutsch)

Kristalline Superspiegel für Infrarotanwendungen

Publikationsjahr

2023

Umfangsangabe

viii, 71 Seiten : Illustrationen

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Stefanie Kroker ,

Piotr Maslowski

Klassifikationen

33 Physik > 33.05 Experimentalphysik ,

33 Physik > 33.07 Spektroskopie ,

33 Physik > 33.18 Optik ,

33 Physik > 33.68 Oberflächen. Dünne Schichten. Grenzflächen ,

33 Physik > 33.72 Halbleiterphysik ,

33 Physik > 33.77 Dielektrika

AC Nummer

AC17033505

Utheses ID

68601

Studienkennzahl

UA | 796 | 605 | 411 |

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