Microscopic Investigations of the Terahertz and the Extreme Nonlinear Optical Response of Semiconductors

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Berechnung den optischen Eigenschaften von Halbleiterstrukturen sowohl im sichtbaren wie auch im Terahertz-Spektralbereich. Die mikroskopische Theorie, die fuer Berechnungen der in dieser Arbeit diskutierten Resultate verwendet wurde, wird in Kapitel 2 vorgestellt. Sie basiert auf einer Bewegunsgleichungsmethode, bei der die auftauchende Vielteilchenhierarchie mit einer sogenannten Clusterentwicklung konsistent abgebrochen wird. In Kapitel 3 untersuche ich Intersubbanduebergaenge zwischen den zwei niedrigsten Leitungssubbaendern in optisch angeregten GaAs Quantenfilmen. Dabei regt das THz-Feld nicht nur Elektronen von einem Subband in das andere an, sondern kann auch an die vorhandenen kohaerenten Exzitonen koppeln und somit Uebergaenge zwischen Exzitonen, die zu verschiedenen Subbaendern gehoeren, induzieren. Interessanterweise zeigen die differentiellen THz-Transmissionsspektren eine charakteristische asymmetrische Linienform des Intersubbanduebergangs, die stark an eine Fano-Resonanz erinnert. Dieses Verhalten kann auf eine kohaerente Ueberlagerung der durch Intersubbanduebergaenge und ponderomotive Dynamik induzierten Felder zurueckgefuehrt werden. Kaptitel 4 befasst sich mit der Untersuchung der Intrabanddynamik in zwei unterschiedlichen Systemen: dem Elektron-Loch-Plasma in einem optisch angeregten Quantenfilm sowie einem zweidimensionalen Elektrongas (2DEG). Mithilfe einer Plasmon-Pol-Analyse kann die Plasmafrequenz aus der dielektrischen Funktion des Systems extrahiert werden. Fuer beide betrachtete zweidimensionale Systeme stellt sich heraus, dass die THz-Antwort durch eine dreidimensionale Plasmafrequenz bestimmt wird. Weiterhin wird die Antwort des Quantenfilms fuer Bedingungen untersucht, bei denen nahezu alle Elektronen und Loecher zu Exzitonen gebunden sind. Indem die Ladungstraegerkonzentration kontinuierlich erhoeht wird, kann nun der Uebergang zum korrelierten Elektron-Loch-Plasma untersucht werden. Eine weiterfuehrende theoretische Analyse der 2DEG-Daten zeigt, dass die Antwort hier sehr stark sowohl von ponderomotiven Effekten als auch von der Elektron-Ion-Streuung beeinflusst wird. Als Konsequenz der grossen Streubeitraege kann die Antwort des 2DEG nicht mit einem einfachen Drude-Modell erklaert werden. In Kapitel 5 beschaeftige ich mich mit der extrem nichtlinearen Antwort von Halbleiternanostrukturen. In diesem Regime der Licht-Materie-Wechselwirkung sind die vorhandenen Felder so stark, dass die Rabifrequenz vergleichbar oder sogar groesser ist als die charakteristische Uebergangsfrequenz des betrachteten Systems. Dabei ist die Rabifrequenz definiert als das Produkt aus dem Dipolmatrixelement des entsprechenden Uebergangs und der elektrischen Feldstaerke. Hierzu berechne ich die kohaerent emittierte Strahlung des Systems bei optischer Anregung mit Feldstaerken von 50 MV/cm und mehr. In diesem Regime werden viele neuartige nichtlineare Effekte erwartet. Fuer reine Interbanddynamik werden hier unter anderem die Carrier-Wave Mollow-Aufspaltung und die Erzeugung von hoeheren harmonischen beschrieben. Sobald die Intrabandbeschleunigung eingeschaltet wird, veraendern sich die Emissionsspektren dramatisch. Insbesondere die Erzeugung hoher Harmonischer wird deutlich verstaerkt.