Bei beiden untersuchten Proben konnte Lichtverst¨arkung beobachtet werden, die Laser-schwelle konnte jedoch nur bei der asymmetrischen Probe erreicht werden. Zum ¨ Uber-schreiten der Laserschwelle ist es notwendig, daß das Licht bei einem kompletten Um-lauf durch den Resonator inklusive beider Endspiegel verst¨arkt wird. Lichtverst¨arkung hingegen tritt bereits dann ein, wenn die optische Welle bei einem Durchlauf durch das Lasermedium ohne Resonator verst¨arkt wird, also die modale Verst¨arkung g > 0 ist. Die Hakki-Paoli-Methode nach Gleichung (2.47) ergibt f¨ur die hier betrachteten verg¨uteten Proben, daß Lichtverst¨arkung stattfindet, wenn das Kontrastverh¨altnis der Fabry-Perot-Modulationpmax/pmin >11,35 ist.
In Bild 9.5 und 9.6 ist f¨ur beide verg¨uteten Proben die gemessene Emissionsleis-tung in Abh¨angigkeit von der Anregungsleistung dargestellt. Außerdem sind f¨ur einige ausgew¨ahlte Leistungen die entsprechenden Emissionsspektren eingezeichnet.
Bei der symmetrischen Probe in Bild 9.5 weist das Emissionsspektrum auch bei der gr¨oßten gemessenen Anregungsleistung noch viele spektrale Moden auf. Dies zeigt, daß die Laserschwelle noch nicht erreicht wird. Lichtverst¨arkung findet hier ab einer Anregungsleistung von etwa 0,30 W statt. Die Emissionsleistung weist auch darunter
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Bild 9.5: Maximale Emissionsleistung in Abh¨angigkeit von der Anregungsleistung f¨ur die verg¨utete symmetrische Probe mit Anregung in [110]-Richtung, λexc = 773 nm, T = 5,3 K, fChp = 400 Hz und DCChp = 4,4 %. F¨ur einige Punkte sind die entsprechenden Emissions-spektren dargestellt. Die Einheiten der Emissionsleistung sind nur innerhalb dieser Abbildung genau vergleichbar. Die Laserschwelle wird nicht erreicht.
den f¨ur stimulierte Emission typischen superlinearen Anstieg auf.
Bei der asymmetrischen Probe setzt die Lichtverst¨arkung bei einer Anregungsleis-tung von 0,120 W und der Laserbetrieb bei 0,165 W ein. Bei weiterer Erh¨ohung der Anregungsleistung setzt sich schnell eine einzelne Mode gegen¨uber den anderen durch.
Ab etwa 0,28 W verteilt sich die Laseremission auf zwei Moden.
Es zeigt sich also bei der asymmetrischen Probe gegen¨uber der symmetrischen eine deutlich kleinere Laserschwelle. Da fast alle Parameter der Geometrie und Zusammen-setzung der Probe einen Einfluß auf die Laserschwelle haben, ist es schwierig, hierf¨ur einen klaren Grund zu ermitteln. Als wahrscheinlichste Ursache kommt in Betracht, daß durch die gr¨oßere Einschlußenergie und der damit verbundenen h¨oheren Exzitonen-Bindungsenergie der r¨aumliche ¨Uberlapp der Elektron- und Loch-Wellenfunktionen vergr¨oßert wird, was nach Fermis Goldener Regel (2.15) zu effizienteren optischen Uberg¨¨ angen f¨uhrt.
In Bild9.7ist f¨ur beide Proben die Abh¨angigkeit des Maximums im Emissionsspek-trum von der Anregungswellenl¨ange dargestellt. Bei beiden Proben zeigt sich zun¨achst
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Bild 9.6: Maximale Emissionsleistung in Abh¨angigkeit von der Anregungsleistung f¨ur die verg¨utete asymmetrische Probe mit Anregung in [110]-Richtung,λexc= 755 nm, T = 8,3 K, fChp = 98 Hz und DCChp = 17,8 %. F¨ur einige Punkte sind die entsprechenden Emissions-spektren dargestellt. Die Einheiten der Emissionsleistung sind nur innerhalb dieser Abbildung genau vergleichbar. Die Laserschwelle liegt bei 0,165 W.
eine stetige Abnahme der Emissionsenergie. Bei der symmetrischen Probe scheint sich diese bei h¨oheren Anregungsleistungen auf einen Wert zu stabilisieren, der etwa 4 meV unterhalb des Quantendraht-Signals der Photolumineszenzmessung (Bild8.1) liegt. Bei der asymmetrischen Probe zeigt sich oberhalb der Laserschwelle in einem weiten Be-reich ein stabiler Laserbetrieb auf einer einzelnen spektralen Mode. Die Photonenener-gie der Laseremission liegt hier ebenfalls 4 meV unterhalb des PL-Quantendraht-Signals (Bild8.2).
Dieses Verhalten l¨aßt sich wie in [Aki04] dadurch erkl¨aren, daß hierbei keine Re-kombination von freien Exzitonen stattfindet, sondern der Laser¨ubergang aufgrund der hohen Anregungsdichte eine Rekombination aus einem Elektron-Loch-Plasma dar-stellt. Offenbar wird hier die Mott-Dichte ¨uberschritten, so daß die Bandl¨ ucken-Renor-malisierung nicht nur den Wegfall der Exzitonen-Bindungsenergie ausgleicht, sondern dar¨uber hinaus zu einer weiteren Verringerung der Bandl¨ucke (engl.:band gap shrinka-ge) f¨uhrt. Diese Verringerung nimmt mit steigender Ladungstr¨agerkonzentration und so mit steigender Anregungsintensit¨at zu. Oberhalb der Laserschwelle rekombinieren
PL-Energie [eV]
Bild 9.7: Photonenenergie des Emissionsmaximums in Abh¨angigkeit von der Anregungsleis-tung f¨ur beide gemessenen Proben. Diese Graphen basieren auf den gleichen Messungen wie Bild9.5 und 9.6.
allerdings die erzeugten Elektronen und L¨ocher wieder sehr schnell durch stimulierte Emission. Daher nimmt die Bandl¨ucke bei steigender Anregungsleistung im Laserbe-trieb kaum weiter ab und die emittierte Mode ist in weiten Bereichen stabil.
Die in [Aki04] beschriebene Probe weist eine vergleichbare Verschiebung der Emis-sionsenergie gegen¨uber der PL-Messung um 5 meV auf. Bei der in [Weg93] vorgestellten Probe hingegen stimmen die Energien der Laseremission und des Quantendraht-PL-Signals gut ¨uberein, was auf exzitonische Rekombination hinweist. Eine zufriedenstel-lende Erkl¨arung f¨ur dieses unterschiedliche Verhalten konnte bislang nicht gefunden werden.
Als alternative Erkl¨arung k¨onnte diese Verschiebung der Emissionsenergie auch in einer Verringerung der Bandl¨ucke begr¨undet liegen, die durch eine Temperatur-erh¨ohung infolge der starken optischen Anregung verursacht wird. Wie aus Bild 8.3 hervorgeht, ließe sich die gemessene Energieverschiebung von 4 meV durch eine Tem-peraturerh¨ohung von etwa 50 K erkl¨aren. Zwar wurden sowohl die Messungen in [Aki04]
als auch in dieser Arbeit mit einem Chopper durchgef¨uhrt, um eine Erw¨armung der Probe zu unterdr¨ucken. Da jedoch die W¨armeleitung im Kryostat noch nicht ausrei-chend untersucht wurde, l¨aßt nicht abschließend kl¨aren, welche Temperatur die Quan-tendr¨ahte bei der Lasert¨atigkeit tats¨achlich aufweisen. Der Einfluß des Choppers wird in Abschnitt 9.4 genauer untersucht. Mit dieser Hypothese ließe sich auch begr¨unden, warum die Energieverschiebung bei der in [Weg93] beschriebenen Probe nicht auftritt:
diese Probe befand sich im Gegensatz zu den anderen Proben w¨ahrend der Messungen
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Bild 9.8: Maximale Emissionsleistung in Abh¨angigkeit von der Anregungsleistung f¨ur beide unverg¨uteten Proben mit Anregung in [110]-Richtung (D060831B-18:λexc= 773,6 nm, T = 5,1 K, fChp = 24 Hz undDCChp = 14 %, D060831A-27: λexc = 754 nm, T = 6,4 K, fChp = 300 Hz undDCChp= 14 %). F¨ur die jeweils h¨ochste Emissionsleistung sind die entsprechenden Emissionsspektren eingezeichnet. Aufgrund unterschiedlicher Justage sind die Einheiten der Emissionsleistung gegen¨uber Bild9.5 bzw.9.6nur grob vergleichbar.
in fl¨ussigem Helium, wodurch eine wesentlich bessere K¨uhlwirkung erreicht und somit die Temperatur auch bei starker Einstrahlung nicht signifikant erh¨oht wird. Allerdings wird auf diese Weise nicht plausibel, warum die Emissionsenergie bei steigender Anre-gungsleistung erst stark abnimmt und sich dann oberhalb der Laserschwelle nur noch wenig ¨andert.
Die gemessene Rotverschiebung der Emissionsenergie k¨onnte durchaus auch eine Kombination von beiden Erkl¨arungsm¨oglichkeiten sein. Um die tats¨achliche Ursache zu ermitteln, m¨ußte man die Temperatur der Quantendr¨ahte beim Laserbetrieb genauer bestimmen. Dies k¨onnte experimentell durch eine hochaufl¨osende Infrarot-W¨ armebild-kamera oder theoretisch durch Simulation des W¨armeflusses im Kryostaten geschehen.
Einfluß der Verg¨ utung
In Bild9.8 sind Messungen der Emissionsleistung f¨ur beide Proben vor der Verg¨utung gezeigt. Da wie erw¨ahnt die Justage des Anregungs- und Detektionsstrahls an unter-schiedlichen Tagen nicht genau reproduzierbar war, sind die hier gemessenen Emissi-onsleistungen nur grob mit denen in Bild 9.5 bzw. 9.6 vegleichbar. Es zeigt sich bei den verg¨uteten Proben eine etwa 50- bis 100-fach h¨ohere Leistung als bei den
un-verg¨uteten Proben. Ohne Verg¨utung bleibt die symmetrische Probe weit unterhalb der Laserschwelle. Die unverg¨utete asymmetrische Probe kommt der Laserschwelle bei einer Anregungsleistung von 290 mW sehr nahe, bei h¨oheren Leistungen sinkt die Emission jedoch wieder ab. Insgesamt f¨uhrt die Beschichtung einer Endfl¨ache des Resonators also zu einer deutlichen Leistungssteigerung und Verringerung der Laserschwelle. Auf die modale Verst¨arkung g im Lasermedium hat die Verg¨utung der Endspiegel erwar-tungsgem¨aß keinen signifikanten Einfluß.