Lasing and strong coupling in inorganic and organic photonic structures

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der starken Kopplung und Laseremission in Strukturen, die ZnO, ZnCdO oder organische Moleküle als aktives Material enthalten. Die ZnCdO basierten Vielfachquantengräben erreichen ihre Laserschwelle durch optische Ruckkopplung an streuenden Luftlöchern. Diese Emitter nennt man random laser. Die Dynamik ihrer Emission unter quasi-stationären Bedingungen ist der hier gezeigte Fokus. Hoch reproduzierbare Anregungen werden verwendet um sowohl die Dynamik eines einzelnen Beschusses aber auch die Unterschiede verschiedener Anregungen zu untersuchen. Die experimentellen Daten werden durch numerische Simulation qualitativ reproduziert und mit Methoden der Netzwerktheorie interpretiert. Die verbreitetere optische Rückkopplung durch einen Resonator wird in der Untersuchung des Moleküls L4P und seiner Spiro-derivate benutzt. Zwei identische Braggspiegel umschließen die aktive Schicht aus L4P-SP2, das in eine Polymermatrix eingebettet ist, eine Dicke von 12 Mikrometer hat und in einer einzelnen Mode lasert (schwache Kopplung). Durch Verringerung der aktiven Schicht auf die Hälfte der Resonanzwellenlänge wird das System in den Bereich der starken Kopplung gebracht. Eine Rabi-Aufspaltung von 90 meV wird zu beiden vibronischen Resonanzen beobachtet. Die energetische Position in Resonanz zu ZnO macht dieses Molekül zu einem guten Kandidaten für die Fertigung einer hybriden Mikrokavität im Bereich der starken Kopplung. Dies wurde in einer teilweise epitaktisch gewachsenen Mikrokavität angewandt, die aus einem ZnMgO basierten Braggspiegel und sechs Quantengräben besteht. Darauf folgt eine aufgeschleuderte Schicht von L4P in der Polymermatrix. Der Resonator wird mit einem dielektrischen Spiegel fertiggestellt. Tieftemperatur Reflektion zeigt eine deutlichen ausweichen und eine gleichverteilte Mischung der drei Resonanz im mittleren Polaritonzweig.

This thesis presents the investigation of strong coupling and lasing in structures using ZnO, ZnCdO or organic molecules as active material. The ZnCdO based multi quantum well structures reach the lasing threshold by using scattering at air holes as the optical feedback. Such emitters are called random lasers. The dynamics of their emission under quasi-stationary condition is the point of interest presented. Highly reproducible excitations are used to investigate the single shot dynamics and their shot to shot differences. The experimental data is qualitatively reproduced by numerical simulation and interpreted by means of network theory. The more common optical feedback by a cavity is applied in the investigation of the molecule L4P and its spiro-derivatives. Using two identical SiO2/ZrO2 based Bragg reflectors surrounding an active layer of L4P-SP2 in a polymer matrix of approximately 12 microns thickness reached single mode lasing (weak coupling). Reducing the active layer thickness to half the resonance wavelength pushes the system into the strong coupling regime. Angular resolved reflectivity shows the anticrossing of the tuned cavity resonance to two vibronic transitions of the molecule. The Rabi-splitting to both vibronic resonances reaches around 90 meV. The energetic position in resonance to ZnO makes this molecule a promising candidate for a hybrid inorganic/organic microcavity in the strong coupling regime. This is used in a partially epitaxially grown microcavity composed of a ZnMgO based Bragg reflector (alternating layers of different Mg content) and six quantum wells. This is followed by a spincoated layer of L4P in a polymer matrix. The cavity is finished by a dielectric mirror. Low temperature reflectivity shows a clear anticrossing reaching an equal mixing of all resonances for the middle branch.