Zum ersten Mal konnte die kohärente Erzeugung von ultrakurzen Pulsen mit Feld stärken im MV/cm Bereich mit einem Spektralbereich von 0.1-30 THz im organischen Kristall DSTMS. Kohärente mehrdimensionale Terahertzspektroskopie (CMTS) hat sich zu einer wichtigen Methode zur Untersuchung der niederenergetischen Anregungen von Halbleitern and deren kohärenter Dynamik entwickelt. Eine neuartige CMTS Methode mit drei phasenstarren, zueinander zeitverzögerten Terahertzpulsen wurde entwickelt. Sie beruht auf der kollinearen Wechselwirkung der Pulse mit der Probe, sodass verschiedene Ordnungen des nichtlinearen Signals in gleicher Richtung emittiert werden und deshalb gleichzeitig gemessen werden können. Amplitude und Phase des nichtlinearen Signals können durch elektro-optisches Abtasten vermessen werden, wodurch die zeitliche Entwicklung der kohärenten Wechselwirkungen in Echtzeit untersucht werden kann. CMTS erlaubt zusätzlich die eindeutige Zerlegung des nichtlinearen Signals in die verschiedenen nichtlinearen Ordnungen in der jeweiligen mehrdimensionalen Frequenzdomäne. Die nichtlineare, nicht-resonante Antwort zweier undotierter Halbleiter, des Ferroelektrikums Lithiumniobat (LiNbO3) und Indiumantimonids (InSb) kann mit dieser neuartigen Methode untersucht werden. In LiNbO3 wird das nichtlineare Signal durch einen Femtosekunden nichtlinearen Verschiebestrom (SC) hervorgerufen. SC wird durch die gebrochene Inversionssymmetrie des Kristalls in Verbindung mit einer ultraschnellen Dephasierung der feldinduzierten, kohärenten interband-Polarisation hervorgerufen. Die Dephasierung der interband-Polarisation erlaubt das Tunneln von Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband. In InSb wird das kohärente Signal durch sowohl zwei-Phonen als auch zwei-Photonen interband-Anregungen erzeugt. Die impulsive Anregung einer kohärenten zwei-Phononen Polarisation wird durch das große Übergangsdipolmoment von InSb verstärkt, was zu deutlich größeren Amplituden der Polarisation als im linearem Regime führt. / For the first time, the coherent generation of ultrashort MV/cm field pulses with a spectrum covering the frequency range 0.1-30 THz is demonstrated in the organic crystal DSTMS. Coherent multidimensional terahertz spectroscopy (CMTS) has become a prominent technique for, e.g., driving low-energy excitations in semiconductors and monitoring their coherent dynamics. A novel CMTS technique using three phase-locked inter-delayed THz pulses is implemented. It relies on a collinear interaction of the pulses with a sample, so that different contributions to the nonlinear signal are emitted in the same direction, and thus can be measured all at once. Phase-resolved detection by electro-optic sampling allows for measuring amplitude and absolute phase of the nonlinear signal, thereby enabling to investigate the evolution of coherent interactions between quantum excitations in real time. In CMTS, the nonlinear signal is dissected into the distinct nonlinear contributions in the corresponding multidimensional frequency domain. This novel technique is applied to study the nonlinear off-resonant response of two undoped bulk semiconductors, the wide-bandgap ferroelectric lithium niobate (LiNbO3) and the narrow-bandgap indium antimonide (InSb). In LiNbO3, the nonlinear signal is generated by a femtosecond nonlinear shift current (SC), a distinctive characteristic of the bulk photovoltaic effect. The SC stems from the lack of inversion symmetry and the ultrafast dephasing of the field-induced interband coherent polarization due to a sufficiently high decoherence rate, which enables tunneling of electrons from the valence to the conduction band. In InSb, the nonlinear signal is caused by the coherent response on both the two-phonon and two-photon interband excitations. The impulsive generation of the two-phonon coherent polarization is enhanced by the large interband transition dipole of InSb, resulting in much larger polarization amplitudes than in the regime of linear response.

Die vorliegende Dissertation behandelt Grundlagen und Anwendungen der nichtlinearen Terahertzspektrospie (THz). Diese Arbeit zeigt erstmalig, dass sich die Inversion des Quantenkaskadenlasers nach einer Störung schon innerhalb von hundert Femtosekunden wieder erholt. Außerdem wurde der exakte Generationsprozess von THz Impulsen in einem Laser-induzierten zwei-Farben Plasma untersucht. Durch Vergleich mit Simulationen wird eindeutig der Ionisationsstrom im Plasma als Quelle der THz Strahlung identifiziert. Neue Spektroskopiemethoden in ein und zwei Zeitdimensionen werden entwickelt und auf verschiedene Halbleiterstrukturen angewendet. So wird das elektrische Feld des THz-Impulses für Hochfeld-Transportexperimente genutzt. Im quanten-kinetischen Regime entkoppelt die Elektronbewegung von den Phononmoden des Kristalls, und quasi-ballistischer Transport wird möglich. Wir entwickeln ein dynamisches Polaronmodell, welches sowohl die experimentellen Ergebnisse auf kurzen Zeitskalen als auch Literaturwerte auf langen Zeitskalen zuverlässig reproduziert. Bei niedrigen Temperaturen von 80 K tritt zusätzlich THz-induziertes Interbandtunneln in GaAs auf. Die temperaturabhängige Tunnelrate hängt dabei wesentlich von der Dekohärenzrate des induzierten Prozesses ab. Desweiteren wird eine kollineare 2D THz Spektroskopiemethode entwickelt und erstmals an Quantentrogstrukturen angewendet. Eine komplizierte, nichtkollineare Strahlgeometrie ist prinzipiell nicht notwendig. Die eingeführten Frequenzvektoren erklären das zugrundeliegende N-Wellen Mischen analog zum Raum auch in der Zeit. So werden mit einer kollinearen Strahlgeometrie alle nichtlinearen Signale simultan gemessen werden. Mit diesem Konzept wurden Rabi-Oszillationen an Intersubbandübergängen in Signale verschiedener nichtlinearer Ordnung zerlegt. Die ersten 2D Korrelationsspektren im THz-Bereich demonstrieren die energetischen Kopplungen zwischen verschiedenen polaronischen Zuständen in einer Doppel-Quantentrogstruktur. / The presented thesis concerns fundamentals and applications of nonlinear terahertz (THz) spectroscopy. It is demonstrates that the a gain recovery time of a quantum cascade laser (QCL) amounts only to several hundred femtoseconds. We explored the generation process of THz pulses within a laser-induced two-color plasma and identified the ionisation current as the origin of the THz radiation. Novel methods of THz spectroscopy in one and in two dimensions are developed and applied to different semiconductor heterostructures. We use the electric field of THz pulses for high-field transport experiments. Within this quantum-kinetic regime, the electron velocity decouples from phonon modes of the crystal lattice and quasi-ballistic transport becomes feasible during the first hundreds of femtoseconds. We develop a dynamic polaron model, which reproduces the experimental results on short time scales as well as the published values on long time scales. At low temperatures of 80 K, we find additional THz-induced interband tunneling in GaAs. The temperature dependent tunneling rate depends essentially on the decoherence time of the induced process. Furthermore, a novel method of collinear 2D THz spectroscopy is developed and applied to quantum well structures. Frequency vectors are introduced to explain the underlying process of N-wave mixing not in space, but in time. This allows for a collinear beam geometry to measure all nonlinear signals simultaneously. We used this new method to decompose Rabi oscillations on intersubband transitions into nonlinear signals of different order. The first 2D correlation spectra in the THz frequency range demonstrate energetic couplings between polaronic states within an asymmetric double quantum well structure. Another experiment displays for the first time the 2D correlation spectrum of a 2pi Rabi flop on the intersubband transition of a multiple quantum well structure.