Wellenleiter Quantenelektrodynamik (Wellenleiter QED) ist ein wichtiger Baustein in vielen zukünftigen, auf Quantenmechanik basierenden Technologien wie z.B. Quantencomputer. Ein typisches Modellsystem besteht aus einem Zwei-Niveau-System (two level system, TLS), das an einen eindimensionalen Wellenleiter gekoppelt wurde. Der Wellenleiter ist dabei durch eine Dispersionsrelation charakterisiert und kann unter anderem Bandkanten enthalten. Wir haben in der Dissertation einen neuartigen Zugang zur Wellenleiter QED präsentiert. Dieser Zugang basiert auf der Quantenfeldtheorie und ermöglicht die Berechnung Greenscher Funktionen im ein- und zwei-Anregungs Unterraum. Diese Greenschen Funktionen wurden benutzt um die Streumatrix und die spektrale Dichte in beiden Unterräumen zu berechnen. Desweiteren konnten wir mit Hilfe von Feynman-Diagrammen die physikalischen Prozesse in der Störungsreihe der Greenschen Funktionen identifizieren. Dies war besonders im zwei-Anregungs-Unterraum von Nutzen. In diesem Fall verhält sich das System nichtlinear, da das TLS nur eine Anregung absorbieren kann. Dadurch werden Effekte induziert wie photon bunching und die effiziente Anregung eines gebundenen Atom-Photon Zustandes. Es war uns möglich diese Effekte in der Störungsreihe der Greenschen Funktion wieder zu finden. Desweiteren haben wir die Greenschen Funktionen im Orts-Zeit-Raum benutzt um ein- und zwei-Photon-Wellenpakete zu propagieren. Es hat sich herausgestellt dass das Verhältnis von Pulsbreite zur spontanten Emissions-zeit sowohl das Streuverhalten als auch die maximale Anregung des TLS bestimmt. Letztendlich haben wir den Einfluss von Unordnung im Wellenleiter auf das Zerfallsverhalten des TLS untersucht. Wir haben entdeckt dass der gebundene Atom-Photon Zustand instabil wird sobald die Unordnung einen kritischen Wert erreicht. Darüberhinaus haben wir eine spezielle Klasse Feynman Diagramme identifiziert, die dem Zerfall eine nichtmarkovsche Dynamik verleihen. / Waveguide quantum electrodynamics (waveguide QED) can be considered as a building block for many prospective technologies like quantum computing. A prototypical system consists of a two-level system (TLS) coupled to a one-dimensional waveguide. The waveguide is characterized by its dispersion relation and can also feature a band edge/slow-light regime. In this thesis we have presented a new theoretical framework for waveguide QED, based on quantum field theory. The framework provides the Green''s functions of the system in the single- and two-excitation sectors for an arbitrary dispersion relation. We have calculated the scattering matrix and the spectral density in both sectors. Furthermore, we have also represented the Green''s functions in the form of Feynman diagrams, from which we can identify the underlying physical processes. A special property of the system is that it behaves nonlinear in the case of two or more photons. This is rooted in the structure of the TLS, which can at most absorb one excitation. The nonlinearity leads to two effects: photon bunching and the efficient excitation of an atom-photon bound state. We have found both effects within our framework and we were able to assign them individual terms in the perturbation series of the Green''s function. Furthermore, we have used the Green''s function in space-time domain to propagate Gaussian one- and two-photon wavepackets. Here, we have identified the ratio of the pulsewidth and the spontaneous emission time as the parameter which governs both the scattering behavior of the photons and the maximal TLS excitation. Eventually, we have investigated the effects of disorder in the waveguide on the decay properties of the TLS. We have found here that the atom-photon bound state is stable for small disorder, but breaks down at sufficiently strong disorder. Furthermore, we have identified a special class of diagrams which render the system non-Markovian even for energies far away from the band edge.

Quasi-particles formed in lithium niobate after pulse exposure were investigated by transient absorption and photoluminescence spectroscopy as well as numerical simulations. This includes the formation process, the transport through the crystal, interim pinning on defects during the relaxation process, and the final recombination with deep centers. It was shown that the charge-transport through the crystal can be described by a hopping transport including different types of hops between regular or defective lattice sites, i.e., the transport includes a mixture of free and bound small polarons. Furthermore, the different types of hops connected with varying activation energies and their distribution are responsible for an altered temporal decay curve when changing the crystal composition or temperature. Additionally, it was shown that the hitherto accepted recombination model is insufficient to describe all transient absorption and luminescence effects in lithium niobate under certain experimental conditions, i.e., long-living absorption dynamics in the blue/UV spectral range do not follow the typical polaron dynamics and cannot be described under the assumption of charge compensation. However, similar decay characteristics between self-trapped excitons known from photoluminescence spectroscopy and the unexpected behavior of the transient absorption were found leading to a revised model. This includes, besides the known polaron relaxation and recombination branch, a significant role of self-trapped excitons and their pinning on defects (pinned STEs). Since the consideration of further absorption centers in the relaxation path after pulse exposure might result in misinterpretations of previously determined polaron absorption cross-sections and shapes, the necessity to perform a review became apparent. Therefore, a supercontinuum pump-probe experiment was designed and all measurements applied under the same experimental conditions (temperature, polarization) so that one can extract the absorption amplitudes of the single quasi-particles in a spectral range of 0.7-3.0eV. The detailed knowledge might be used to deconvolve the absorption spectra and transform them to number densities of the involved centers which enables one to obtain an easier insight into recombination and decay dynamics of small polarons and self-trapped excitons. As the hopping transport of quasi-particles and the concept of pinned STEs might be fundamental processes, a thorough understanding opens up the possibility of their exploitation in various materials. In particular, results presented herein are not only limited to lithium niobate and its applications; an extension to a wide range of further strongly polar crystals in both their microscopic processes and their use in industry can be considered.

This work is dedicated to a comprehensive experimental study on the interaction of femtosecond laser pulses with the nonlinear optical medium lithium niobate. The nonlinear optical response in the nanosecond regime was already studied extensively with a variety of techniques, whereas femtosecond pulses were mainly used in transient absorption or transient grating experiments. Naturally, the temporal resolution of these measurements depends on the pulse duration, however, dynamics during the pulse excitation were barely investigated. The motivation of this work is to widen the limits of femtosecond spectroscopy, not only to temporally resolve faster nonlinear optical processes, but further to show a sensitivity to other coupling mechanisms between the pulses and the material. Especially, the role of transient, dynamic holographic gratings is investigated with a careful determination of the pulse duration, bandwidth and frequency chirp. A basis of this work is established in the first part by studying the material response via light-induced absorption before focusing on the main topic, the pulse interaction with elementary (holographic) gratings, both self-induced and static, in the second part. By this detailed study, several features of femtosecond laser pulses, holographic gratings and the ultrafast material response can be revealed: (i) grating recording is feasible even with pulses of different frequencies, provided that their pulse duration is sufficiently short, (ii) grating based pulse coupling causes a pronounced energy transfer even in a common pump-probe setup for transient absorption measurements with (non-)degenerated frequencies, (iii) beyond expectation, oscillations in the phonon frequency range become apparent in different measurements. The presented results point towards appropriate future experiments to obtain a more consistent, microscopic model for the ultrafast response of the crystal, involving the interplay between photo-generated polarons, self-induced gratings, and phonons.

Mit dem Begriff Wellenleiterquantenelektrodynamik (WQED) wird gemeinhin die Physik des quantisierten und in eindimensionalen Wellenleitern geführten Lichtes in Wechselwirkung mit einzelnen Emittern bezeichnet. In dieser Arbeit untersuche ich Effekte der WQED für einzelne Dreiniveausysteme (3NS) bzw. Paare von Zweiniveausystemen (2NS), die in den Wellenleiter eingebettet sind. Hierzu bediene ich mich hauptsächlich numerischer Methoden und betrachte die Modellsysteme im Rahmen der Drehwellennäherung. Ich untersuche die Dynamik der Streuung einzelner Photonen an einzelnen, in den Wellenleiter eingebetteten 3NS. Dabei analysiere ich den Einfluss dunkler bzw. nahezu dunkler Zustände der 3NS auf die Streuung und zeige, wie sich mit Hilfe stationärer elektrischer Treibfelder gezielt auf die Streuung einwirken lässt. Ich quantifiziere Verschränkung zwischen dem Lichtfeld im Wellenleiter und den Emittern mit Hilfe der Schmidt-Zerlegung und untersuche den Einfluss der Form der Einhüllenden eines Einzelphotonpulses auf die Ausbeute der Verschränkungserzeugung bei der Streuung des Photons an einem einzelnen Lambda-System im Wellenleiter. Hier zeigt sich, dass die Breite der Einhüllenden im k-Raum und die Emissionszeiten der beiden Übergänge des 3NS die maßgeblichen Parameter darstellen. Abschließend ergründe ich die Emissionsdynamik zweier im Abstand L in den Wellenleiter eingebetteter 2NS. Diese Dynamik wird insbesondere durch kavitätsartige und polaritonische Zustände des Systems aus Wellenleiter und Emitter ausschlaggebend beeinflusst. Bei der kollektiven Emission der 2NS treten - abhängig vom Abstand L - Sub- bzw. Superradianz auf. Dabei nimmt die Intensität dieser Effekte mit längerem Abstand L zu. Diese Eigenart lässt sich auf die Eindimensionalität des Wellenleiters zurückführen. / The field of waveguide quantum electrodynamics (WQED) deals with the physics of quantised light in one-dimensional (1D) waveguides coupled to single emitters. In this thesis, I investigate WQED effects for single three-level systems (3LS) and pairs of two-level systems (2LS), respectively, which are embedded in the waveguide. To this end, I utilise numerical techniques and consider all model systems within the rotating wave approximation. I investigate the dynamics of single-photon scattering by single, embedded 3LS. In doing so, I analyse the influence of dark and almost-dark states of the 3LS on the scattering dynamics. I also show, how stationary electrical driving fields can control the outcome of the scattering. I quantify entanglement between the waveguide''s light field and single emitters by utilising the Schmidt decomposition. I apply this formalism to a lambda-system embedded in a 1D waveguide and study the generation of entanglement by scattering single-photon pulses with different envelopes on the emitter. I show that this entanglement generation is mainly determined by the photon''s width in k-space and the 3LS''s emission times. Finally, I explore the emission dynamics of a pair of 2LS embedded by a distance L into the waveguide. These dynamics are primarily governed by bound states in the continuum and by polaritonic atom-photon bound-states. For collective emission processes of the two 2LS, sub- and superradiance appear and depend strongly on the 2LS''s distance: the effects increase for larger L. This is an exclusive property of the 1D nature of the waveguide.

Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Experimente befassen sich mit zwei Aspekten des Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum (engl.: nitrogen-vacancy center, NV-Zentrum) in Diamant, einem der bekanntesten Quantenspin-Defekte und vielversprechendem Festkörpersystem für künftige Anwendungen in der Quantentechnologie, wie z. B. Quantensensorik und Quanteninformation im Nanomaßstab. Zum einen werden neue Mikrowellen-Raman-Spin-Manipulationsverfahren an dem NV-Elektronenspin untersucht, und zum anderen wird eine neuartige On-Chip-Plattform für Quantenanwendungen und die hybride Integration dieser Plattform mit einem einzelnen NV-Zentrum vorgestellt. Es wird über die kohärente Mikrowellen-Raman-Kontrolle an den Elektronenspin des NV-Zentrums berichtet, die den Dipol-verbotenen Übergang zwischen zwei Spin-Subniveaus im elektronischen Triplett-Grundzustand des NV-Zentrums direkt treiben kann. Folglich wurden die stimulierten Raman-Übergänge (engl.: stimulated Raman transitions, SRT) und die stimulierte adiabatische Raman-Passage (engl.: stimulated Raman adiabatic passage, STIRAP) theoretisch und numerisch analysiert und erfolgreich an einem einzelnen NV-Zentrum experimentell verifiziert und umgesetzt. Weiterhin wird die deterministische Integration eines einzelnen NV-Zentrums mit einer photonischen Plattform behandelt. Diese extra für diesen Zweck entwickelte photonische Plattform besteht dabei ausschließlich aus thermisch auf einem Silizium Substrat gewachsenem Siliziumdioxid und zeichnet sich dabei durch ihre ultraniedrige Fluoreszenz aus. Experimentell wurde die Integration eines vorselektierten NV-Emitters mit einem Rasterkraftmikroskop durchgeführt und die On-Chip-Anregung des Quantenemitters sowie die Kopplung von Einzelphotonen an die geführte Mode der integrierten Struktur nachgewiesen. Dieser Ansatz zeigt das Potenzial dieser Plattform als robuste nanoskalige Schnittstelle von photonischen On-Chip-Strukturen mit einzelnen Festkörper-Qubits. / This thesis revolves around the nitrogen-vacancy (NV) defect center in diamond, one of the best-known quantum spin defects and a promising solid-state system for future applications in quantum technology, such as nanoscale quantum sensing and quantum information. Since the manipulation of the NV center's electron spin is crucial for many applications, the development of new or the adaption of known spin manipulation schemes to the NV center spin is crucial to expand the application prospects of the NV center. Thus, this work reports on the adaption of coherent microwave Raman control to the electron spin of the NV center, which can drive the dipole-forbidden transition between two spin sublevels in the NV center's triplet electronic ground state. Consequently, the stimulated Raman transitions (SRT) and stimulated Raman adiabatic passage (STIRAP) two-photon microwave Raman processes were theoretically and numerically analyzed and successfully implemented and verified experimentally on a single NV center electron spin. The two Raman schemes were then also compared in terms of their robustness and success of the spin swap. Apart from this, scalable on-chip coupling of single photon emitters and quantum memories with single optical modes is crucial for building future fully integrated nanophotonic devices. Thus, a purpose-built photonic platform consisting entirely of silicon dioxide thermally grown on a silicon substrate, which stands out by its ultra-low fluorescence, was developed. Experimentally, the integration of a preselected NV emitter was performed with an atomic force microscope, and on-chip excitation of the quantum emitter as well as coupling of single photons to the guided mode of the integrated structure could be demonstrated. This approach demonstrates the potential of this platform as a robust nanoscale interface of on-chip photonic structures with single solid-state qubits.

Die verlässliche Erzeugung einzelner Photonen mit wohldefinierten Eigenschaften in allen Freiheitsgraden ist entscheidend für die Entwicklung photonischer Quantentechnologien. Derzeit basieren die wichtigsten Einzelphotonenquellen auf dem Prozess der spontanen parameterischen Fluoreszenz (SPF), bei dem ein Pumpphoton in einem nichtlinearen Medium spontan in ein Paar aus Signal und Idlerphotonen zerfällt. Resonator-überhöhte SPF, also das Plazieren des nichtlinearen Mediums in einem optischen Resonator, ist ein weit verbreitetes Verfahren, um Einzelphotonenquellen mit erhöhter Helligkeit und angepassten spektralen Eigenschaften zu konstruieren. Das Anpassen der spektralen Eigenschaften durch gezielte Auswahl der Resonatoreigenschaften ist besonders für hybride Quantentechnologienvon Bedeutung, welche darauf abzielen, unterschiedliche Quntensysteme so zu kombinieren, dass sich deren Vorteile ergänzen. Diese Arbeit stellt eine umfassende theoretische und experimentelle Analyse der dreifach resonanten SPF vor. Das aus der Literatur bekannte theoretische Modell wird diesbezüglich verbessert, dass der Einfluss sämtlicher Eigenschaften des Resonators auf die wichtigen experimentellen Größen (z.B. die Erzeugungsrate) gezielt ausgewertet werden kann. Dieses verbesserte und hoch genaue Modell stellt eine wichtige Grundlage für die Entwicklung und Optimierung neuartiger Photonenpaarquellen dar. Im experimentellen Teil dieser Arbeit wird der Aufbau und die Charakterisierung einer dreifach resonanten Photonenpaarquellen präsentiert. Die neu entwickelte digitale Regelelektronik sowie ein hochstabiler, schmalbandiger Monochromator welcher auf monolitischen, polarisationsunabhängigen Fabry-Pérot Resonatoren basiert, werden vorgestellt. Indem diese temperaturstabilisierten Resonatoren als Spetrumanalysator verwendet werden, wird zum ersten Mal die Frequenzkammstruktur des Spektrums der erzeugten Signal- und Idlerphotonen nachgewiesen. Des Weiteren wird der Einfluss der Pumpresonanz auf die Korrelationsfunktion und die Zweiphotoneninterferenz von Signal- und Idlerphotonen simuliert und vermessen. Abschließend werden Experimente aus dem Bereich der hybriden Quantennetzwerke präsentiert, in welchen Quantenfrequenzkonversion verwendet wird um die erzeugten Signalphotonen in das Telekommunikationsband zu transferieren. Dabei wird nachgewiesen, dass das temporale Wellenpaket durch die Konversion nicht beeinflusst wird und aufgezeigt, wie Quantennetzwerke von kommerziellen Telekommunikationstechnologien profitieren können. / The consistent generation of single photons with well-defined properties in all degrees of freedom is crucial for the development of photonic quantum technologies. Today, the most prominent sources of single photons are based on the process of spontaneous parametric down-conversion (SPDC) where a pump photon spontaneously decays into a pair of signal and idler photons inside a nonlinear medium. Cavity-enhanced SPDC, i.e., placing the nonlinear medium inside an optical cavity, is widely used to build photon-pair sources with increased brightness and tailored spectral properties. This spectral tailoring by selective adjustment of the cavity parameters is of particular importance for hybrid quantum technologies which seek to combine dissimilar quantum systems in a way that their advantages complement each other. This thesis provides a comprehensive theoretical and experimental analysis of triply-resonant cavity-enhanced SPDC. We improve the theoretical model found in the literature such that the influence of all resonator properties on the important experimental parameters (e.g., the generation rate) can be analyzed in detail. This convenient and highly accurate model of cavity-enhanced SPDC represents an important basis for the design and optimization of novel photonpair sources. The experimental part of this thesis presents the setup and characterization of a triply-resonant photon-pair source. We describe the digital control system used to operate this source over days without manual intervention, and we present a highly stable, narrow-linewidth monochromator based on cascaded, polarization-independent monolithic Fabry-Pérot cavities. Utilizing these temperature-stabilized cavities as a spectrum analyzer, we verify, for the first time, the frequency comb spectral structure of photons generated by cavity-enhanced SPDC. We further simulate and measure the impact of the pump resonance on the temporal wave-packets and the two-photon interference of signal and idler photons. Finally, we present a series of experiments in the context of hybrid quantum networks where we employ quantum frequency conversion (QFC) to transfer the generated signal photons into the telecommunication band. We verify the preservation of the temporal wave-packet upon QFC and highlight how quantum networks can benefit from advanced commercial telecommunication technologies.

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The present work broaches the physics of light-matter interaction, chiefly using nonlinear optical spectroscopy in a newly developed framework termed as Photon Management Concept. This way, existing fragments dealing with specific properties of harmonic and upconversion nanoparticles (HNPs/UCNPs) are consolidated into a full and coherent picture with the primary goal of understanding the underlying physical processes and their impact on the application side, especially in terms of imaging techniques, via suitable experimental and numerical studies. Contemporary optical setups involving contrast-enhancing agents are frequently limited in their excitation and detection configurations owing to a specialization to a select number of markers. As a result, the bandwidth of experimental methods and specimens that may be investigated is severely restricted in a large number of state-of-the-art setups. Here, an alternative approach involving HNPs and UCNPs, respectively, is presented providing an overview from their synthesis to optical characterization and to potential fields of application. Based on their inherent flexibility based on their nonlinear optical response, especially in terms of wavelength and intensity tunability, the PMC alleviates prevalent limitations by dynamically adapting the setup to a sample instead of the preliminary culling to a reduced number of eligible specimens that must not change their optical properties significantly during investigation. The use of HNPs supersedes such concerns due to their nearly instantaneously generated, strongly anti-Stokes shifted, coherent emission capable of producing radiation throughout the visible spectral range, including infrared and ultraviolet wavelengths. This way, HNPs transcend the traditional field of imaging and introduces potential applications in optomanipulation or holographic techniques. Thorough (nonlinear) optical characterization of UCNPs and alkali niobate HNP ensembles is performed to assess the fundamental physical mechanisms interwoven with numerical studies leading to their wide-ranging applicability. Final remarks show that HNPs are ideal candidates for realization of the PMC and yet hold an even further potential beyond current prospects.

In der vorliegenden Arbeit werden die nichtlinearen optischen Eigenschaften der Materialien Lithiumniobat und Di-Zinn-Hexathiohypodiphosphat aufgrund der Suszeptibilität 3. Ordnung und kleiner Polaronen untersucht. Zudem wird gezeigt, dass die Interferenz verschiedenfarbiger Laserpulse die Aufzeichnung von statischen und dynamischen holographischen Gittern ermöglicht. Ein Teil dieser Arbeit ist in den im Anhang angegebenen 6 Publikationen bereits veröffentlicht. Lithiumniobat wird mit einer Erweiterung des Z-Scan Experiments untersucht, welches die Pulslängenabhängige Messung der nichtlinearen Absorption und der nichtlinearen Brechungsindexänderung ermöglicht. Dabei konnte festgestellt werden, dass bei sehr kurzen Pulslängen von 70 fs ein Effekt der Polaronen auf die nichtlineare Absorption vernachlässigbar ist und die Zwei-Photonen-Absorption die nichtlineare Absorption dominiert. Mit größerer Pulslänge gibt es allerdings Abweichungen zwischen der Theorie der Zwei-Photonen-Absorption und den Messergebnissen. Mit der Entwicklung eines Polaronen-Anregungs-Modells, welches eine polaronische Absorption aufgrund wiederholtem optisch induziertem Hopping annimmt, konnte dieser Effekt konsistent erklärt werden. Die Messungen der nichtlinearen Brechungsindexänderung lassen darauf schließen, dass sowohl freie Ladungsträger als auch kleine Polaronen neben der Suszeptibilität 3. Ordnung einen Einfluss auf die Brechungsindexänderung haben, da eine nichtlineare Abhängigkeit von der Intensität auch bei Pulslängen von 70 fs festgestellt werden konnte. Analog dazu konnte in Di-Zinn-Hexathiohypodiphosphat ein großer Zwei-Photonen-Absorptionskoeffizient festgestellt werden, welcher für Photonenenergien nahe der Bandkante Werte zeigt, die größer sind als theoretischen Überlegungen zeigen. Eine transiente Absorption nach optischer Anregung, gemessen durch ein Anreg-Abtast-Experiment, sowie Literatur legen nahe, dass in Di-Zinn-Hexathiohypodiphosphat gebundene Lochpolaronen durch optische Anregung entstehen können. Durch den hohen Zwei-Photonen-Absorptionskoeffizienten konnte das Aufzeichnen eines kontrastreichen, dynamischen Amplitudengitters mittels Femtosekundenpulsen gezeigt und nachgewiesen werden. Die Kürze der Femtosekundenpulse ermöglicht aber nicht nur das Aufzeichnen eines Zwei-Photonen-Absorptionsgitters aufgrund der hohen Intensitäten, sondern erlaubt zudem die Beobachtung von Interferenz zwischen verschiedenfarbigen Pulsen. In der Zeitspanne der Pulslänge beträgt die Bewegung der Interferenzstreifen, welche in der Größenordnung der Lichtgeschwindigkeit liegt, nur ein Bruchteil der Streifendistanz, sodass das Interferenzmuster eingefroren und beobachtbar erscheint. Somit lassen sich statische Hologramme in holographischen Filmen, wie auch dynamische Hologramme aufzeichnen. Über ein dynamisches holographisches Gitter mittels Zwei-Photonen-Absorption konnte so eine Frequenzkonversion durch Dopplerverschiebung in Lithiumniobat gezeigt werden.