Unter dem Gesichtspunkt kohärenter Wellenpaketdynamik werden in dieser Arbeit zwei Themenfelder untersucht: Zum einen die Auswirkungen von Kernfreiheitsgraden auf die zweidimensionale vibronische Spektroskopie (2D-Spektroskopie) und zum anderen photoinduzierte Energieverlustmechanismen in organischen Halbleitern. Im ersten Abschnitt wird am numerischen Beispiel zweiatomiger Moleküle gezeigt, dass sich die Anharmonizität der Wellenpaketbewegung durch Variation der Verzögerungszeit der Femtosekundenpulse in der komplexwertigen Spektralfunktion, die aus der störungstheoretischen Berechnung der Polarisationsfunktion hervorgeht, widerspiegelt. Die zeitliche Entwicklung besetzter Vibrationszustände zeigt sich in der Struktur des Signals anhand sogenannter Quantenphasen. Durch Variation der Pulsparameter und -reihenfolge kann dabei die Quantendynamik in unterschiedlichen elektronischen Zuständen charakterisiert werden. Im zweiten Teil der Arbeit wird für molekulare Aggregate (3,4,9,10-Perylentetracarbonsäurediimid und 3,4,9,10-Perylentetracarbonsäuredianhydrid) ein zeitaufgelöstes, atomistisches Bild intra- und intermolekularer Strukturverzerrungen vorgestellt. Letztere induzieren eine ultraschnelle Depopulation der durch Photoabsorption angeregten elektronischen Zustände, was mit einer deutlichen Abnahme der Anregungsenergie einhergeht. / In the present work two topics were examined within the framework of coherent wave-packet dynamics: First, the appearance of fingerprints of nuclear degrees-of-freedom in two-dimensional vibronic spectra (2D spectra), and second, photoinduced energy quenching processes in organic semi-conductors. Using the numerical example of diatomic molecules, it is shown in the first part that a variation of the delay-time between femtosecond laser pulses reveals the anharmonicity of the wave packet motion by influencing the complex-valued spectral function, which stems from a calculation of the perturbative polarization function. The time-evolution of vibrational states is monitored in the signal structure by so-called quantum phases. Different electronic states are accessible through variation of the parameters and the order of involved laser pulses. In the second part, a time-resolved atomistic picture of intra- and intermolecular structural deformations in molecular aggregates (3,4,9,10-perylene tetracarboxylic acid bisimide and 3,4,9,10-perylene tetracarboxylic acid dianhydride) is presented. The latter induce an ultrafast depopulation of the photoexcited electronic states, which goes in hand with a considerable loss of excitation energy.

Diese Arbeit befasst sich mit den spektralen Signaturen molekularer Aggregate sowie mit ihrer Wellenpakets- und Populationsdynamik in angeregten Zuständen unter dem Einfluss externer Störungen und photoinduzierter Asymmetrie. Hierzu werden quantendynamische numerische Berechnungen mit der Multi-Configuration Time-Dependent Hartree-Methode durchgeführt, um die angesprochenen Prozesse zu charakterisieren. Durch die Konzentration auf Modellrechnungen sind die qualitativen Ergebnisse dieser Arbeit auf viele Systeme übertragbar. Zunächst widmet sich die Arbeit den linearen UV/Vis-Absorptions- und Emissionsspektren von Aggregaten. Hier zeigt sich, dass die Anzahl der Größen, die ein Absorptionsspektrum bestimmen -- etwa die Anzahl der Chromophore, ihre geometrischen Anordnung und die elektronische Kopplung zwischen ihnen -- zu groß ist, um ihre numerischen Werte eindeutig aus den Spektren bestimmen zu können. Insbesondere können sich die Auswirkungen der Aggregatgröße und der Kopplungsstärke gegenseitig so beeinflussen, dass die Form der Absorptionsbande bei sehr unterschiedlichen Systemen nahezu identisch ist. Daraus ergeben sich Schwierigkeiten bei der Interpretation experimenteller Spektren, insbesondere von selbst-aggregierten Oligomeren, deren Größe unbekannt ist. Es ist daher notwendig, entweder die elektronische Kopplung oder die Anzahl der Monomere in einem Aggregat durch andere experimentelle Methoden unabhängig zu bestimmen. Ist die Aggregatgröße jedoch bekannt, können die Absorptionsspektren sehr wohl zur Bestimmung anderer Eigenschaften des Systems herangezogen werden. Dies wird durch die Untersuchung der Spektren kovalent gebundener zyklischer Aggregate aus drei und vier cis-Indolenin-Squarain-Molekülen als Beispiel für Systeme mit bekannter Größe dargestellt. Das zweite Hauptthema der Arbeit ist die Populationsdynamik in angeregten Zuständen molekularer Aggregate. Dazu werden numerische Rechnungen an Dimeren, Pentameren und Nonameren durchgeführt. Eine Asymmetrie, sei es im System selbst oder am Wellenpaket, das durch die Anregung entsteht, kann dazu führen, dass ein einzelnes Monomer dauerhaft bevorzugt populiert ist. Wenn durch eine externe Störung die Energie des angeregten Zustands bestimmter Monomere für eine gewisse Zeit erhöht ist, kommt es zu einer Lokalisation der Population in diesem energetisch höheren Zustand. In einem System mit weiteren internen Freiheitsgraden wird die Population auf benachbarte Monomere übertragen, wenn der Betrag der Energieverschiebung des gestörten Zustands mit dem Abstand der Schwingungsniveaus zusammenfällt. Der anfängliche Lokalisierungseffekt ist darüber hinaus zustandsspezifisch: Er wird durch die Überlappintegrale der Schwingungskomponenten der Wellenfunktion in den diabatischen angeregten elektronischen Zuständen bestimmt. Durch die Kombination von zwei Laserpulsen kann auch ein Wellenpaket in den angeregten Zuständen erzeugt werden, dessen Symmetrieachsen nicht mit denen der Potentialflächen des Systems zusammenfallen. Dadurch, dass hier die Asymmetrie schon im Wellenpaket vorliegt, kann es auch ohne äußere Störung zu einer Lokalisation der Population auf einem Monomer kommen. / This work studies the spectral signatures of molecular aggregates as well as their excited-state wave-packet and population dynamics under the influence of external perturbations and photo-induced asymmetry. Quantum dynamical numerical calculations employing the Multi-Configuration Time-Dependent Hartee method are performed in order to characterize the aforementioned processes. Concentrating on model calculations, the results of this work can qualitatively be transferred to a variety of different systems. First, linear UV/Vis- absorption and emission spectra of aggregates are investigated. It becomes apparent that the number of quantities which determine an absorption spectrum -- such as the number of chromophores, their geometrical arrangement and the electronic coupling between them -- is too large to uniquely determine their numerical values from the specta. Especially, the effects of the aggregate size and the coupling strength can influence each other in a way such that nearly identical spectra are obtained for vastly different systems. This leads to difficulties in the interpretation of experimental spectra, in particular when investigating self-assembled oligomers whose size is unknown. It is thus necessary to determine either the number of monomers within the Aggregate or their electronic coupling independently via other experimental techniques. If the aggregate size is, however, known, absorption spectra provide a valuable tool for determining other properties of the system under investigation. This is shown by investigating the spectra of covalently linked aggregates comprised of three or four cis-Indolenine Squaraine dye molecules as an example for systems of known size. The second main topic of the thesis is the excited-state population dynamics of molecular aggregates. Here, numerical calculations for dimer, pentamer and nonamer systems are performed. It is shown that any asymmetry, originating from the system itself or from the photo-excited wave-packet, leads to a quasi-permanent enhancement of the population of a single monomer unit. When the energy of the excited states of certain monomers is increased by an external perturbation, the excited-state population is, after a very short time, localized in the state with higher energy. In a system that features additional internal degrees of freedom, the population is transferred to neighboring Monomers if the energy shift of the perturbed state is in resonance with the spacing of the vibrational levels. In addition, the inital localization effect is state-specific as it is determined by the overlap integral of the vibrational wave-function components in the diabatic electronic states. By combining two laser pulses, it is possible to generate an excited-state wave-packet whose axes of symmetry do not coincide with those of the potential energy surfaces of the system. Since, here, the asymmetry is already contained in the wave-packet, localization of the population on a single monomer is possible even without an external perturbation.

In dieser Dissertation wurden zwei Aspekte der Wechselwirkung von Laserpulsen mit Molekülen betrachtet: Erstens wurden numerische Algorithmen, die auf der zeitabhängigen Störungstheorie basieren, zur Berechnung von quantenmechanischen Wellenfunktionen analysiert. Zweitens wurden Effekte der absoluten Phase (Carrier envelope phase = CEP) von Laserpulsen bei der Laseranregung molekularer Systeme analysiert. In den Analysen zum ersten Aspekt wurden zwei verschiedene Algorithmen - in dieser Arbeit als simple und improved algorithm bezeichnet - verwendet, und die Normabweichung von mit diesen Algorithmen berechneten Wellenfunktionen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass diese Normabweichung für beide Algorithmen in zwei unterschiedliche Beiträge zerlegt werden kann. Der erste Normabweichungsbeitrag tritt aufgrund der numerischen Diskretisierung der Zeit auf und verschwindet, wenn der Zeitschritt, der die Dauer der Intervalle für diese Diskretisierung angibt, gegen Null geht. Man kann den ersten Normabweichungsbeitrag mit exzellenter Genauigkeit berechnen und seine Eigenschaften, die sich für die beiden Algorithmen erheblich unterschieden, eingehend analysieren. Der zweite Normabweichungsbeitrag tritt dadurch auf, dass die zeitabhängige Störungstheorie nicht normerhaltend ist, und geht daher gegen Null, wenn die Störungsordnung gegen unendlich geht. Dieser zweite Beitrag ist außerdem in guter Näherung unabhängig vom Zeitschritt und für beide Algorithmen näherungsweise gleich. Des Weiteren kann man das Verhalten des zweiten Normabweichungsbeitrags im Gegensatz zum ersten Beitrag nur qualitativ beschreiben. Für die Analyse zum zweiten Themengebiet dieser Arbeit, den CEP-Effekten, wurde betrachtet, ob CEP-Effekte auch für Laserpulse beliebiger Länge auftreten können. Über eine analytische Betrachtung erkennt man, dass dies für ein Zweiniveausystem nur dann der Fall ist, wenn beide Zustände vor Beginn der Wechselwirkung des Systems mit dem Laserpuls besetzt sind. Man kann aus diesem Ergebnis folgern, dass für einen Laserpuls, der zwei elektronische Zustände eines Moleküls über Einphotonenübergänge koppelt, in der Regel kein CEP-Effekt für beliebige Längen dieses Pulses auftritt. Der Grund dafür ist, dass vor der Wechselwirkung eines molekularen Systems mit einem Laserpuls für dieses üblicherweise nur der elektronische Grundzustand besetzt ist. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass dieses Problem durch ein spezielles Zweipulsschema für die Anregung eines molekularen Systems gelöst werden kann. Für dieses Pulsschema wird ein erster Puls verwendet, der zeitlich so kurz ist, dass Wellenpakete in mehreren elektronischen Zuständen angeregt werden. Der nachfolgende zweite Laserpuls ist spektral schmal, und seine zeitliche Länge kann beliebig groß gewählt werden. Man erhält für dieses Pulsschema Observablen, die von der CEP des zweiten Pulses, aber nicht von der CEP des ersten Pulses abhängen; somit ist ein CEP-Effekt nachweisbar. Derartige Observablen sind geometrische Asymmetrien für Zerfallsprodukte von Photodissoziationsreaktionen. Insbesondere unterscheidet sich das hier vorgestellte Pulsschema von anderen Zweipulsschemata, für welche Observablen von der Differenz der CEPs beider Pulse abhängen, aber nicht von der CEP einer der beiden Pulse allein. / In this dissertation, two aspects for the interaction of laser pulses with molecules were considered: First, we analysed numerical algorithms which are based on time-dependent perturbation theory. Second, carrier envelope phase (= CEP) effects of laser pulses for the laser excitation of molecular systems were studied. In the analyses to the first aspect, two different algorithms referred in this thesis as simple and improved algorithm were used, and the norm deviation occurring for wave functions calculated with these algorithms was examined. As a result, this norm deviation can be divided in two different contributions for both algorithms. The first contribution occurs because of the numerical discretisation of time and disappears when the time step defining the length of the intervals for this discretisation goes to zero. This first contribution can be calculated with excellent accuracy, and its properties, which differ substantially for the two algorithms, can be analysed in detail. The second contribution occurs because time-dependent perturbation theory is not norm conserving. Thus, it goes to zero when the perturbation order goes to infinity. Moreover, this second contribution is in good approximation independent of the time step, and it is approximately equal for both algorithms. Futhermore, in contrast to the first contribution the behaviour of the second contribution can be described only qualitatively. For the analyses to the second aspect of this thesis, namely CEP effects, it was considered if CEP effects can also appear for laser pulses of arbitrary length. An analytical inspection reveals that for a two level system this is only true if both states are occupied before the laser pulse starts to interact with the system. This result allows to conclude that as a rule when a laser pulse couples two electronical states of a molecule by one photon transitions, no CEP effect arises for arbitrary lengths of this laser pulse. The reason for this is that normally only the electronical ground state is occupied before the interaction of the molecular system with the laser pulse starts. In this thesis it is shown that this problem can be solved with a special two-pulse-scheme for the excitation of a molecular system. For this pulse scheme a first pulse is applied which is temporally as short as to excite wave packets in several electronic states. The subsequent second laser pulse is spectrally small, and its temporal length can be chosen unconditionally large. For this pulse scheme there are observables which depend on the CEP of the second pulse but not on the CEP of the first pulse, thus a CEP effect is measurable. Such observables are geometrical asymmetries for decay products of photodissociation reactions. In particular the pulse scheme presented here differs from other two-pulse-schemes where the observables depend on the difference of the CEPs of both pulses but not on the CEP of one of the two pulses alone.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Carrier-Envelope Phasendrift modengekoppelter Laser sowie Maßnahmen zu deren aktiver und passiver Stabilisierung. Das restliche Phasenrauschen wird in verschiedenen Messaufbauten im Hinblick auf physikalische Ursachen und mögliche Optimierungen untersucht. Dazu werden einführend verschiedene Interferometeranordnungen zur Messung der CEP Drift von Ti:Saphir Oszillatoren systematisch auf ihr Eigenrauschen hin untersucht. In einem Vergleichsexperiment wird die Überlegenheit kompakter Interferometeraufbauten demonstriert. Zusätzlich wird eine einfache Anordnung vorgestellt, welche die Bestimmung der Phase eines spektralen Interferenzmusters. Das analoge Verfahren wird zur Einzelschussanalyse der CEP Drift von Verstärkerimpulsen verwendet. Hiermit werden erstmals schnelle Rauschbeiträge aufgedeckt. Ergänzend wird ein Konzept zur orthogonalen Kontrolle der CEP Drift mithilfe einer speziellen Kompensatoreinheit diskutiert. Der Kompensator besteht aus zwei Keilprismen, hergestellt aus unterschiedlichen optischen Materialien, die als Einheit verschoben werden. Durch geeignete Wahl der Materialien werden Effekte auf die Gruppenlaufzeit oder deren Dispersion gleichzeitig eliminiert. Darüber hinaus wird ebenfalls erstmalig ein lineares Messverfahren demonstriert, das die CEP Drift auch für ps-Oszillatoren erschließt. Zur linearen Detektion wird die spektrale Interferenz aufeinander folgender Impulse eines Impulszuges aufgelöst, die mit einem Ringresonator überlagert werden. Abschließend wird ein neues Verfahren präsentiert, das einen Impulszug generiert, dessen Einzelimpulse eine identische Feldstruktur aufweisen. Dazu das Messsignal direkt an ein externes Rückstellelement übergeben ohne eine zusätzliche Regelschleife zu benötigen. Auf diese Weise können Bandbreitenprobleme der Regelschleife vermieden werden. Da Rückstellelement und Laser voneinander getrennt sind, bleibt der Laser in seinem Betrieb ungestört. / This work discusses the carrier-envelope phase drift of mode-locked lasers as well as techniques for its active and passive stabilization. In order to reveal the physical origin of the drift, the investigations focus on the analysis of residual phase noise. From the analysis, potential improvements are developed. For this purpose, in a first experimental approach, different interferometer configurations for CEP drift detection of Ti:sapphire oscillators are compared. Comparative studies clearly reveal the superiority of compact interferometer set-ups in terms of noise. In a second series of experiments, a simple assembly is introduced for the direct extraction of the phase from spectral interference patterns. The analog method is demonstrated with single-shot measurements and utilized for stabilization of the CEP drift of an amplifier system, thereby enabling monitoring of additional fast noise contributions for the first time. Moreover, a concept for orthogonal control of the CEP drift by a specially designed compensator assembly is discussed. This assembly consists of two thin wedge prisms made from different optical materials. By choosing an appropriate material group delay and its dispersion are eliminated synchronously. Furthermore, a linear method is presented that provides access to the CEP drift of ps-oscillators for the first time. The newly introduced much more general linear approach relies on resolving the spectral interference of subsequent pulses from a pulse train, which are superimposed utilizing a ring resonator. Finally, a technique is demonstrated that generates a pulse train consisting of single pulses with identical field structure. Particularly, the heterodyne signal is directly fed forward to the external feedback element, replacing the classical servo loop. Therefore, servo bandwidth limitations are eliminated. Since feedback element and laser oscillator are decoupled, the laser performance is not corrupted by side effects from the feedback.