Die Erzeugung immer kürzerer und energiereicherer Laserimpulse ist eine der wichtigsten Aufgaben der Laserphysik, um physikalische Phänomene in bisher unerreichten elektrischen Feldstärkebereichen zugängig zu machen und Beobachtungen auf kleinster Zeitskala zu ermöglichen. Mit Hilfe der Nachkompression verstärkter, in edelgasgefüllten Hohlfasern selbstphasenmodulierter Ti:Saphir-Laserimpulse werden die momentan kürzesten Impulse des sichtbaren Spektralbereiches erzeugt, die nur noch wenige Schwingungszyklen des elektrischen Feldes umfassen. Ebenso notwendig wie ein solcher Schritt der Impulskompression ist der verlässliche Nachweis seines Ergebnisses. Allerdings wächst auch die physikalische und technische Herausforderung einer präzisen und vollständigen Messung des ultrakurzen Laserimpulses mit zunehmender Komplexität und Breite des Impulsspektrums. Die vorliegende Arbeit stellt sowohl auf dem Gebiet der Kompression von Sub-10-fs Impulsen als auch auf dem der vollständigen Charakterisierung solcher Impulse optimierte aber auch neue Verfahrenstechniken vor. In Experimenten an einem zweistufigen Hohlfaserkompressor wird die Erzeugung der momentan kürzesten, nicht adaptiv komprimierten Impulse mit einer Dauer von lediglich 3,8 fs demonstriert. Eine elegante Alternative zu bisherigen Kompressionsmethoden zeigt der Nachweis effektiver Selbstkompression von mJ-Impulsen auf unter 8 fs in einem selbstführenden Edelgasfilament auf. Zur Kontrolle erfolgreicher Impulskompression und für eine phasenempfindliche Untersuchung des Prozesses der Dispersionskompensation über spektrale Bandbreiten von bis zu einer Oktave mussten etablierte Impulsmesstechniken wie das SPIDER- (Spectral Phase Interferometry for Direct Electric-field Reconstruction) und das FROG- (Frequency-Resolved Optical Gating) Verfahren weiterentwickelt werden. So wird mit der Realisierung und vollständigen Analyse interferometrischer FROG-Messungen ein neues phasenempfindliches Impulsmessverfahren vorgestellt. / One challenge of today’s laser physics is the stable compression of more and more intense laser pulses to the shortest possible pulse duration to enable new high-field laser experiments and to investigate fast atomic or molecular dynamics. At present, the shortest laser pulses of the visible spectral region envelop only a few cycles of the electric field. The state of the art method to generate such short pulses behind a Ti:sapphire amplifier laser system is by means of successive steps of spectral broadening inside a gas-filled hollow fibre and dispersion compensation. However, a reliable pulse characterization is as important as the pulse compression. The more spectral bandwidth the pulse covers the more technically challenging is the measurement of the pulse’s electric field structure. In this work, new concepts of compression and characterization of pulses down to durations below 10 fs are demonstrated as well as further optimization of established techniques. Due to modern, chirped-mirror based dispersion compensation pulses as short as 3.8 fs were generated with a two-stage hollow fibre compressor. At present, these are the shortest pulses of the visible spectral region, compressed without adaptive means for dispersion compensation. For the first time the effect of self-compression of mJ-pulses to below 8 fs in a self-guiding noble gas filament is demonstrated experimentally and determined by numerical simulations. Advanced pulse characterization schemes were needed for a phase-sensitive investigation of dispersion compensation and pulse compression of white light pulses. An optimized design of the SPIDER (Spectral Phase Interferometry for Direct Electric-field Reconstruction) technique is demonstrated that facilitates the measurement of the pulse’s spectral phase in case of broadband structured spectra. With the implementation of an interferometric FROG (Frequency-Resolved Optical Gating) a new phase-sensitive pulse characterization method is introduced.

Die Methode „interferometric frequency-resolved optical gating“ (iFROG) zur Charakterisierung ultrakurzer Laserimpulse wurde erweitert. Als optische Nichtlinearität werden sowohl die Erzeugung der 2. als auch der 3. Harmonischen (THG) separat verwendet. Eine iFROG-Messung stellt ein inverses Problem dar, bei dem die Amplitude und Phase des elektrischen Feldes des Laserimpulses nur durch einen iterativen Algorithmus rekonstruiert werden kann. In dieser Arbeit wird ein mathematischer Formalismus entwickelt und mit einem evolutionären Optimierungsalgorithmus kombiniert, um einen neuartigen Impuls-Rekonstruktions-Algorithmus für iFROG zu erschaffen. Während iFROG ursprünglich ausschließlich zur Charakterisierung von Laserimpulsen konzipiert wurde, kann die Technik gleichermaßen für spektroskopische Zwecke eingesetzt werden. Wird das nichtlineare Medium in iFROG durch ein Untersuchungsobjekt ersetzt und ein bekannter Laserimpuls erneut charakterisiert, so kann die Antwortfunktion des Untersuchungsobjekts mit einer sub-Femtosekunden-Auflösung entschlüsselt werden. Da für die THG-Variante bisher keine Lösung bekannt ist, ermöglicht der vorgestellte Rekonstruktion-Algorithmus die erstmalige Nutzung von iFROG zur Untersuchung ultraschneller nichtlinearer Effekte dritter Ordnung. Die spektroskopische Fähigkeit von iFROG wird durch das Studium von drei unterschiedlichen physikalischen Systemen (Nanostrukturen) geprüft. In ZnO-Nanostäben wird die Leistungsabhängigkeit der durch Multiphotonenabsorption induzierten Lumineszenz gemessen, wobei nachgewiesen werden konnte, dass diese mit einer Lokalisierung des optischen Nahfelds verknüpft ist. Eine Dreiphotonenresonanz in einem dünnen Titandioxid Film und eine Oberflächenplasmonenresonanz in Au-Nanoantennen führen beide zu einer endlichen Lebensdauer der induzierten Materialpolarisation. Die iFROG-Methode wird verwendet, um die ultraschnelle zeitliche Dynamik dieser Systeme auf der Nanometer- und wenige Femtosekunden-Skala zu messen. / The ultrashort laser pulse characterization method “interferometric frequency-resolved optical gating” (iFROG) is extended. Both second- and third harmonic generation (SHG and THG) are separately employed as the optical nonlinearity. An iFROG measurement represents an inverse problem, where the electric field amplitude and phase of the underlying laser pulse can only be reconstructed by an iterative algorithm. In this work, a mathematical formalism for both the SHG and THG variants of iFROG is developed and combined with an evolutionary optimization algorithm to create a novel pulse retrieval algorithm for iFROG. While iFROG was originally conceived solely for pulse characterization, the technique can equally well be applied for spectroscopic purposes. By replacing the nonlinear medium in iFROG with an object of study, say a nanostructure, and characterizing a known pulse again such that the sample affects the harmonic generation process, the response of the object can be deciphered with sub-femtosecond precision. As no previous solution for the THG variant exists, the presented retrieval algorithm allows iFROG to be exploited in the study of ultrafast third-order nonlinear effects for the first time. The spectroscopic capability of iFROG is put to test by studying three differing physical systems, each consisting of nanostructures resting on dielectric substrates. Subjecting these specimen to few-cycle near-infrared pulses, a rich variety of nonlinear optical phenomena is observed. In ZnO nanorods, the power dependence of multiphoton-absorption induced luminescence is measured and found to be connected to a localization of the optical near-field. A three-photon resonance in a thin film of titania and a localized surface plasmon resonance in Au nanoantennas both lead to a finite lifetime of the induced material polarization. The THG-iFROG method is harnessed to measure the ultrafast temporal dynamics of these systems at the nanometer and few-femtosecond scales.