Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät

Institut für Physik

Fachgebiet: Theoretische Physik

Betreuer: Prof. Dr. Thomas Fennel



M. Sc. Benjamin Liewehr
(e-mail: Benjamin.Liewehr@uni-rostock.de )

Analysis of Sub-Cycle Nanoplasma Dynamics via Low-Order Harmonic Generation

The nonlinear optical response of dielectrics under intense laser fields gives rise to various important effects ranging from four-wave mixing and solitary wave formation to self-focusing and self-phase modulation. These well-known processes take place at intensities low enough to avoid permanent material modification and optical breakdown and can usually be described accurately by the third-order Kerr response. At higher intensities, additional contributions to the nonlinear response such as dynamical Bloch oscillations and recollision effects emerge and have recently been studied in great detail in the context of highorder harmonic generation. As yet unresolved is the significance of strong-field ionization and plasma formation for the nonlinear optical response and the resulting optical signals although ionization-induced wave mixing and harmonic emission have been proposed more than 30 years ago. This thesis describes a systematic analysis that aims at closing this gap. To this end the role and signatures of ionization-induced nonlinearities in wide bandgap dielectrics are investigated theoretically via local plasma simulations and ionization-radiation models and compared to experiments to reveal their nature and their potential for imaging and controlling strong-field ionization down to the sub-cycle time scale. The central results of this thesis are (i) the identification of the dominance of ionization induced low order harmonic emission near the damage threshold through the so far overlooked injection current, (ii) the demonstration of the resulting opportunities for monitoring ultrafast plasma formation via non-perturbative wave mixing, and (iii) the analysis of the potential of subcycle plasma formation with shaped laser fields for the generation of optically controlled sub-wavelength structures and gratings in laser material modification.

Die nichtlineare Strahlungsantwort dielektrischer Festkörper auf starke Laserfelder führt zu verschiedenen wichtigen Effekten, die von Vier-Wellen-Mischung, Solitonenerzeugung bis hin zur Selbstfokussierung und Selbstphasenmodulation reichen. Diese wohlbekannten Prozesse laufen bereits bei Intensitäten ab, die niedrig genug sind, um eine dauerhafte Materialveränderung bzw. einen optischen Zusammenbruch zu vermeiden und lassen sich üblicherweise vollständig durch die Kerr-Antwort dritter Ordnung beschreiben. Bei höheren Intensitäten treten weitere Beiträge zur nicht-linearen Antwort auf, wie dynamische Blochoszillationen und Rekollisionseffekte, die bereits detailliert im Zusammenhang mit hoher Harmonischenerzeugung untersucht wurden. Bisher ungeklärt ist dabei der Einfluss der Starkfeldionisation und der Plasmaerzeugung auf die nichtlineare optische Antwort und die daraus resultierenden optischen Signale, obwohl ionisationsinduzierte Wellenmischung und Harmonischenerzeugung vor bereits 30 Jahren erstmals vorgeschlagen wurden. Diese Dissertation beschreibt eine systematische Analyse, um diese Lücke zu schließen. Hierzu werden Rolle und Signaturen von ionisationsinduzierten Nichtlinearitäten in Dielektrika mit großer Bandlücke theoretisch mittels lokaler Plasmasimulationen und Ionisationsratenmodellen untersucht und mit Experimenten verglichen, um ihr Potential für Abbildung und Kontrolle der Starkfeldionisation bis hinunter zur Subzyklenzeitskala aufzuklären. Die zentralen Ergebnisse dieser Arbeit sind (i) die Identifikation des dominanten Beitrags ionisationsinduzierter Harmonischer niedriger Ordnung nahe der Zerstörschwelle anhand des bisher unberücksichtigten Injektionsstroms, (ii) der Demonstration der sich daraus ergebenden Möglichkeiten zur Beobachtung ultraschneller Plasmaerzeugung durch nicht-perturbative Wellenmischung und (iii) die Identifizierung von Potenzialen zur Subzyklenplasmaerzeugung mittels maßgeschneiderter Laserfelder für die Erzeugung optisch kontrollierter Subwellenlängenstrukturen und Gitter für die Lasermaterialbearbeitung.