Im Rahmen dieser Dissertation wird die Kopplung von einer ultraschnellen optischen Interband-Anregung und der Erzeugung von akustischen Phononen im ferroelektrischen Prototyp-Material Lithiumniobat (LiNbO3) studiert. Unter Verwendung der Anrege-Abfrage-Technik wird LiNbO3 mit ultrakurzen optischen Lichtimpulsen angeregt und die Antwort des LiNbO3-Kristallgitters mit harten Femtosekunden-Röntgenimpulsen abgefragt. Zur Erzeugung der ultrakurzen Röntgenimpulse (100 fs) wird eine kompakte, lasergetriebene Femtosekunden-Röntgenquelle mit einer 1 kHz Repetitionsrate genutzt. Die Stärke und die zeitliche Evolution der beobachteten integralen Röntgen-Reflektivität ausgewählter Bragg-Reflexionen ist charakteristisch für die Propagation von starken akustischen Deformationswellen in einem homogen angeregten Einkristall. Überraschenderweise weisen sowohl die Polarisation als auch die Propagationsgeschwindigkeit der aktivierten Phononmoden eine hohe Anisotropie in Abhängigkeit der Ausrichtung der ferroelektrischen Achse relativ zur Polarisation der optischen Anrege-Impulse auf. Die bekannten Kopplungsmechanismen, wie das elektronische Deformationspotential oder die anharmonische Phonon-Phonon-Wechselwirkung, sind zur Erklärung der akustischen Deformationswellen mit der beobachteten Amplitude und der hohen Anisotropie ungeeignet. Stattdessen konnte gezeigt werden, dass die impulsive mechanische Spannung über den piezoelektrischen Effekt erzeugt wird. Die dafür notwendige makroskopische elektrische Polarisation resultiert aus einem photoinduzierten Verschiebestrom, welcher die Folge der optischen Interband-Anregung mittels Zwei-Photonen-Absorption ist. Diese optisch-elektrisch-mechanische Kopplung zwischen dem nichtlinearen Leitfähigkeitstensor fünfter Ordnung, dem piezoelektrischen Tensor und den relevanten Phononmoden ermöglicht eine vollkommene Beschreibung der experimentellen Beobachtungen. / The coupling between an ultrafast optical interband excitation and the generation of acoustic phonons in the ferroelectric prototype material lithium niobate (LiNbO3) is studied. Employing the pump-probe technique, LiNbO3 is excited optically with ultrashort light pulses while the impact on the crystal lattice is probed by femtosecond hard x-ray pulses. A compact, laser-driven femtosecond x-ray source with a 1-kHz repetition rate provides 100-fs pulses for time-resolved experiments. With this experimental arrangement, the response of the LiNbO3 crystal lattice to a nonlinear optical excitation can be investigated. The strength and temporal evolution of the observed integrated x-ray reflectivity of selected Bragg reflections are consistent with the propagation of a strong acoustic strain wave in a homogeneously excited single crystal. Surprisingly, both the polarization of the activated phonon modes and the propagation velocity show a high anisotropy as a function of the ferroelectric axis orientation relative to the polarization of the optical excitation pulses. The previously known coupling mechanisms, such as the electronic deformation potential or the anharmonic phonon-phonon interaction, are insufficient to explain the observed deformation amplitude and high anisotropy of the acoustic strain waves. Instead, it is shown that the impulsive mechanical stress is generated via the piezoelectric effect. The required macroscopic electrical polarization is a result of a photoinduced shift current, which in turn is generated by the optical interband excitation via two-photon absorption. This optical-electrical-mechanical coupling between the fifth-order nonlinear conductivity tensor, the piezoelectric tensor, and the relevant phonon modes fully describe the experimental observations.

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.