Ultraschnelle kohärente Kontrollmethoden für die nichtlineare Mikroskopie und Spektroskopie

Ultrakurze Laserpulse im Nanojoule-Energiebereich auf der Femto- bis Pikosekunden-Zeitskala ermöglichen die Erzeugung immenser Feldstärken bei Fokussierung auf wenige Quadratmikrometer Fläche. In diesem Szenario wirken starke Kräfte auf die Elektronensysteme von Atomen und Molekülen im Fokus ein, so dass sich die linearen optischen Eigenschaften von Stoffen ändern können – nichtlineare Eigenschaften treten zutage. Mit einem Pulsformer kann auf die breiten Spektren ultrakurzer Laserpulse per spektraler Phasenmodulation so eingewirkt werden, dass fast beliebige zeitliche Intensitäts- und Momentanfrequenz-Verläufe entstehen. Die spektrale Pulsformung steht im Mittelpunkt dieser Arbeit und wird für Anwendungen in der nichtlinearen Mikroskopie und der molekularen kohärenten Quantenkontrolle jenseits der Störungstheorie ausgelotet. Zunächst wird ein modernes kohärentes Kontrollverfahren zur Pulskompression – Phase Resolved Interferometric Spectral Modulation (PRISM) – in einer geänderten Implementierung analysiert und als Charakterisierungsmethode für ultrakurze Laserpulse weiterentwickelt. Dieses Verfahren wird dann als Ausgangsbasis für ein Experiment zur chromophorfreien nichtlinearen Mikroskopie und einem Experiment zum adiabatischen Populationstransfer in molekularen Prototypen verwendet. Die untersuchte chromophorfreie Mikroskopiemethode nutzt als Bildkontrast den nichtlinearen Prozess der Selbstphasenmodulation, der zu unterschiedlichen Auffüllungsgraden eines zuvor eingeführten spektralen Loches führt. Die Kontrastmethode ist in Transmission auf nichtlineare Materialparameter sensitiv, die von der Suszeptibilität dritter Ordnung abhängen. An dünnlagigen Graphitproben wird ein Auflösungsvermögen unterhalb der Auflösung eines linear arbeitenden Mikroskops gezeigt. An gut charakterisierten Farbstoffmolekülen im Singulett System werden adiabatische elektronische Populationstransfermechanismen für resonante und nichtresonante Anregung verifiziert und generalisiert, die zuvor nur an einem speziell synthetisierten Photosensitizer im Triplett System untersucht worden waren. Zwei physikalisch motivierte Kontrollparameter der spektralen Phase werden gegeneinander abgerastert, um eine Fluoreszenz-Kontrolllandschaft zu erschaffen. Die experimentellen Kontrolllandschaften werden auf Basis einer Moleküldynamik-Simulation nachvollzogen und die zugrundeliegenden Kontrollmechanismen werden analysiert. Eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Messungen kann dabei erzielt werden, wobei die gekoppelte Elektronen- und Kernbewegung für die erstaunliche Robustheit des Populationstransfers gegenüber Stößen aus der Lösungsmittelumgebung verantwortlich ist.