Diese Arbeit beschäftigt sich mit Femtosekunden-Filamenten in dispersiven, transparenten Medien. Die Erzeugung optischer Femtosekunden-Impulse durch Selbstkompression in Edelgasen wird unter theoretischen und experimentellen Aspekt behandelt, wobei die zugrundeliegenden physikalischen Mechanismen aufgezeigt werden. Dazu werden numerische Simulationen hochintensiver Femtosekunden-Impulse in Edelgasen durchgeführt, und eine analytische Beschreibung der Selbstkompression wird entwickelt. Im experimentellen Teil der Arbeit wird eine bisher nur theoretisch vorhergesagte Selbstheilungseigenschaft des zeitlichen Impulsverlaufs in Femtosekunden-Filamenten nachgewiesen. Es wird gezeigt, dass die zeitliche Impulsform stabil gegenüber einer adiabatisch einsetzenden, temporären Zunahme von Dispersion und Nichtlinearität um jeweils drei Größenordnungen ist, wie sie beim Durchgang durch das Austrittsfenster einer gasgefüllten Zelle auftritt. Die optische Feldstärke in Filamenten ist vergleichbar mit inneratomaren Bindungskräften. Bei derart hohen Intensitäten treten hochgradig nichtlineare Effekte wie Multiphoton- oder Tunnelionisation auf. Neuere experimentelle Befunde deuten an, dass die Sättigung des optischen Kerr-Effekts eine entscheidende Rolle in Filamenten spielt, im Gegensatz zur bisherigen Annahme der Sättigung der optischen Nichtlinearität durch freie Ladungsträger. Dieser Befund wird derzeit in der Literatur kontrovers diskutiert. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein unabhängiger theoretischer Ansatz verfolgt, um Beiträge hoher Ordnungen zum optisch-optischen Kerr-Effekt aus einer Kramers-Kronig Transformation des Multiphoton-Absorptionskoeffizienten abzuschätzen. Auschließlich ausgehend von physikalischen Grundprinzipien sowie einiger moderater Näherungen stützen diese Ergebnisse ein kürzlich vorgeschlagenes Modell, welches relevante Beiträge höherer Ordnung zum optisch-optischen Kerr-Effekt vorhersagt. / This thesis discusses femtosecond filaments in dispersive dielectric media. In particular, the generation of intense, few-cycle optical pulses due to self-compression in noble gases is analyzed from a theoretical as well as from an experimental viewpoint, clearly isolating the physical mechanisms behind the observed pulse self-compression mechanism. To this end, numerical simulations of high-intensity femtosecond pulses propagating in noble gases were performed, and an analytical model of the processes leading to pulse self-compression was developed. Moreover, a theoretically predicted temporal self-healing property of femtosecond filaments is experimentally proven, demonstrating that few-cycle optical pulses can recover and even benefit from a temporary, non-adiabatic increase of dispersion and nonlinearity of the order of three magnitudes as experienced during the passage from a gaseous medium to a thin silica sample. Filamentation sets in at field strengths that approach the order of inner-atomic binding forces. At these extreme intensities, highly nonlinear effects such as multiphoton ionization or tunneling effects occur. Recent experimental investigations claim a prevalent contribution of a saturation of the optical Kerr effect in filamentation prior to the onset of Drude-contributions from ionization effects. This finding is currently controversially discussed in literature. In this thesis, an independent theoretical approach was pursued, estimating high-order contributions to the all-optical Kerr effect via a Kramers-Kronig transform of multiphoton absorption cross-sections. Quite surprisingly, while only based on first principles with some moderate approximations, the results of this analysis are in strong support of the recently suggested higher-order Kerr model.

La filamentation laser femtoseconde dans l'air est un phénomène qui implique une riche famille d'effets optiques non linéaires. Effet laser de filaments a émergé comme un phénomène nouveau en 2011. Il a été activement étudiée au cours des dernières cinq années, non seulement en raison de ses applications potentielles dans les techniques de télédétection mais aussi la physique pour découvrir. Cette thèse est consacrée principalment à l'étude de deux types d'effets laser à partir du plasma filamentaire généré par 800 nm impulsions laser femtosecondes dans l'air ou l'azote pur. Le premier est l'émission spontanée amplifiée à 337 nm longueur d'ondes de molécules d'azote neutre qui est bidirectionnel, activée uniquement par des impulsions polarisées circulairement. Le mécanisme d'inversion de population est attribuée à électrons-molécules collisions inélastiques entre les électrons énergiques et les molécules d'azote neutres sur l'état du sol. La caractérisation complète de 337 nm impulsion laser vers l'avant et vers l'arrière est réalisée. En particulier, les mesures de profil temporelles sont comparées à des simulations numériques basées sur l'équation de Maxwell-Bloch à une dimension, qui se révèle être en bon accord. Un autre type d'effet laser est lié à ions d'azotes excités, émettant à 391 nm et 428 nm longueurs d'onde. Ce type d'effet laser est observée avec laser pompe polarisée linéairement. Il est caractérisé systématiquement dans des domaines spatiaux, temporels et spectrales. Les résultats du profil temporel prouve que l'émission laser ionique est fondamentalement superradiance. Un nouveau mécanisme, à savoir le processus d'excitation recollision d'électrons, est proposé pour la réalisation de la distribution de la population dans le niveau supérieur de la transition. Il est soutenu par deux mesures expérimentales consistant en la dépendance de 391 nm émission laser à l'ellipticité et la dépendance à longueur d'onde de laser pompe. Des simulations numériques donnent un bon accord avec l'observation expérimentale. / Femtosecond laser filamentation in air is a phenomenon that involves a rich family of nonlinear optic effects. Lasing effect from filaments has emerged as a new phenomenon in 2011. It has been actively studied in recent 5 years not only because of its potential applications in remote sensing techniques but also the fruitful physics involved. This thesis is devoted to the study of two types of lasing effect from filament plasma generated by 800 nm femtosecond laser pulses in air or pure nitrogen. The first is the bidirectional amplified spontaneous emission at 337 nm wavelength of neutral nitrogen molecules, only enabled by circularly-polarized pulses. The population inversion mechanism is attributed to inelastic electron-molecule collisions between energetic electrons and neutral nitrogen molecules on the ground state. Full characterization of both forward and backward 337 nm lasing pulse is conducted. Particularly the temporal profile measurements is compared to numerical simulations based on one-dimensional Maxwell-Bloch equation, which turns out to be in good agreement. Another type of lasing effect is related to excited nitrogen ion, emitting at 391 nm and 428 nm wavelengths. This type of lasing effect can only be observed with linearly-polarized pump laser. It is systematically characterized in spatial, temporal and spectral domains. The temporal profile results proves that ionic lasing emission is fundamentally superradiance. A new mechanism, namely the electron recollision excitation process, is proposed for the achievement of population distribution in the upper level of transition. It is supported by two experimental measurements consisting of pump ellipticity dependence and pump wavelength dependence of 391 nm lasing intensity. Numerical simulations give good agreement with the experimental observation.