Die Multiexzitonen-Theorie des Anregungsenergie-Transfers in Farbstoff-Protein-Komplexen und biologischen Antennensystemen wird um den Prozess der Exziton-Exziton-Vernichtung erweitert. Um eine mikroskopische Beschreibung zu erzielen, wird eine Herangehensweise benutzt, die auf der Internen Konversion der Anregungsenergie innerhalb der Farbstoffmoleküle basiert. Diese Interne Konversion führt zu nicht strahlenden Übergängen von höheren zu niedrigeren Exziton-Mannigfaltigkeiten. Neben der Einbeziehung der Exziton-Exziton-Vernichtung beinhaltet die hier verwendete Multiexziton-Dichtematrixtheorie auch die Kopplung zu niedrig-energetischen Schwingungs-Freiheitsgraden und dem elektrischen Feld. Für den Übergang von der Zwei- zu der Einexzitonen -Mannigfaltigkeit werden exakte und genäherte Ausdrücke hergeleitet. Die erste Anwendung der erweiterten Multiexziton-Dichtematrixtheorie ist die Berechnung von ultra-schnellen differentiellen Absoptionsspektren. Um den Prozess der Exziton-Exziton-Vernichtung in intensitätsabhängigen differenziellen Absorptionsspektren näher zu untersuchen, wird diese Herangehensweise auf den B850 Ring des LH2 von rhodobacter sphaeroides angewendet. Die Bedeutung der Exziton-Exziton-Vernichtung und der Einfluss von statischer Unordnung werden detailiert diskutiert. Die Simulationen der differentiellen Absorptionsspektren mit statischer Unordnung und Orientierungsmittelung zeigen gute Übereinstimmung mit experimentellen Beobachtngen. Durch die Veröffentlichung der Strukturdaten des Photosystem I (PS1) von Synechococcus elongatus wurde es zum ersten Mal möglich, ein Exziton-Modell für die 96 Chorophyllmoleküle einzuführen, die in die Proteinmatrix dieses Antennensystems eingebettet sind. Das Ziel dabei ist, sowohl die linearen Spektren in einem weiten Temperaturbereich, als auch die zeitaufgelöste Fluoreszenz zu reproduzieren. Die Kopplungen und die Dipolmomente der Chlorophyllmoleküle wurden den Strukturdaten entnommen. Da die Energien der einzelnen Farbstoffe stark von deren unmittelbarer Umgebung abhängt, werden diese bestimmt, indem simulierte Absorption, Lineardichroismus und Zirkulardichroismus bei niedrigen Temperaturen den experimentellen Spektren angepasst werden. Nachdem einige Chlorophyllmoleküle den Zuständen mit den niedrigsten Energien zugeordnet wurden, werden die Energien mit Hilfe eines evolutionären Algorithmus angepasst. Die Qualität des PS1 Modells wird durch die Berechnung der zeitabhängigen Fluoreszenz untermauert (mit zusätzlicher inhomogener Linienbreite), die Simulationen stimmen gut mit aktuellen experimentellen Resultaten überein. Die oben erwähnten Exziton-Modelle beschreiben die jeweiligen Experimente erfolgreich. Der nächste Schritt ist, diese Modelle zu nutzen, um einen neuen Typ von Experiment vorzuschlagen, das Exciton-Steuerungs-Experiment. Auf dem Exciton-Modell des FMO Komplexes von Prosthecochloris aestuarii und dem oben erwähnten PS1 Modell von Synechococcus elongatus aufbauend wird die Bildung von exzitonischen Wellenpaketen durch Laser-Anregung studiert. Diese stellen eine kohärente Überlagerung exzitonischer Zustände dar, ähnlich der bei Schwingungs-Wellenpaketen. Um die spezielle Form des Femtosekunden-Laserpulses zu bestimmen, der zu einer räumlichen Lokalisierung der Anregungsenergie führt, wird die Theorie der optimalen Steuerung verwendet. Die Möglichkeit, solch einen lokalisierten Zielzustand zu erreichen, wird aufgezeigt, auch unter dem Einfluss von energetischer Unordnung und Exziton-Exziton Vernichtung. Ferner wird gezeigt, dass die Effizienz der Lokalisierung und die Länge des optimalen Pulses stark von der Temperatur abhängen. / The multi-exciton description of excitation energy transfer in chromophore complexes and biological light harvesting antenna systems is extended to include the exciton-exciton annihilation processes. To achieve a complete microscopic description the approach is based on intra--chromophore internal conversion processes which leads to non-radiative transitions from higher to lower lying exciton manifolds. Besides an inclusion of exciton-exciton annihilation the used multi-exciton density matrix theory also accounts for a coupling to low-frequency vibrational modes and the radiation field. Concentrating on transitions from the two- to the single-exciton manifold exact and approximate expressions for the annihilation rate are derived. A first application of the introduced extended multi-exciton density matrix theory is given by the computation of ultrafast transient absorption spectra. To elucidate the process of exciton-exciton annihilation in intensity dependent transient absorption data the approach is applied to the B850 ring of the LH2 found in rhodobacter sphaeroides. The signatures of exciton-exciton annihilation as well as the influence of static disorder are discussed in detail. The simulations of transient absorption including static disorder and orientational averaging are in good agreement with experimental data. The recently published structure of the Photosystem I (PS1) of Synechococcus elongatus made it for the first time possible to introduce an excitonic model for the 96 chlorophylls embedded in the protein matrix of that core-antenna system, as presented in this work. The challenge has been to reproduce linear frequency domain spectra in a wide temperature range as well as the time resolved fluorescence. The couplings and the dipole-moments of the chlorophylls are extracted from the x-ray crystal structure. Since the position of the energetic levels of the chlorophylls depend on the respective surrounding their determination is achieved by fitting low temperature absorption, linear dichroism and circular dichroism at the same time. After assigning some chromophores to the red-most states, an evolutionary algorithm is used to get the best fit. The quality of the resulting PS1 model (additionally accounting for inhomogeneous line broadening) is confirmed in calculating time dependent fluorescence spectra which show a good agreement with recent experimental results. The outlined method is also applicable to other photosynthetic antenna systems. The above described exciton models successfully explain the respective measurements. In a second step, they will be used to propose a new type of experiment, the exciton control experiment. Based on an exciton model for the FMO complex of Prosthecochloris aestuarii and the proposed PS1 model of Synechococcus elongatus one studies the laser pulse formation of excitonic wavepackets, i.e. a coherent superposition of excitonic states similar to vibrational wavepackets. Optimal Control theory is used to calculate the shape of femtosecond laser pulses that leads to a spatial localization of excitation energy. The possibility to populate such a localized target state is demonstrated, even in the presence of disorder or exciton-exciton annihilation, and it is shown that the efficiency of localization as well as the length the most suited pulses strongly depend on temperature.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Konzept der radial nicht-oszillierenden, zeitlich stabilen ultrakurzen Bessel ähnlichen Strahlen oder "Nadelstrahlen" ("needle beams"), die zu einer Klasse von optischen hochlokalisierten Wellenpaketen generalisiert werden. Hierbei wird die Theorie über das räumlich-zeitlichen Ausbreitungsverhaltens von nicht auseinanderdriftenden Nadelstrahlen mit Pulsdauern von kleiner als 10 fs näher diskutiert. Dies wird durch eine systematische Darstellung der Methoden zur Generierung und Detektierung von lokalisierten Wellen komplettiert, die ein optischen Drehmoment tragen. Für die Erzeugung von HLWs kommen räumliche Lichtmodulatoren zum Einsatz, die ein flexibles Zuschneiden von Wellenpaketen mit der Dauer weniger Zyklen des EM-Feldes erlauben. Es wird gezeigt, dass solche optischen Pulse sich über beträchtliche Entfernungen ausbreiten, ohne dass sich dabei signifikant der Strahldurchmesser vergrößert oder der Puls zeitlich verbreitert. In variabler Weise werden verschiedene geometrische (z.B. ringförmige) Lichtverteilungen erzeugt. Anwendungspotential findet sich insbesondere in den Techniken der räumlichen Pulsformung und Diagnostik. Als besonders wichtiger Ansatz ist der Zeit-Wellenfront-Sensor zu erwähnen, welcher die nichtlineare, mehrkanalige Autokorrelation, die Wellenfrontdetektion mittels nichtdiffraktiver Teilstrahlen nach dem Shack-Hartmann-Prinzip und eine adaptive Funktionalität miteinander vorteilhaft verbindet. Das enorme Potential solcher Ansätze wird durch die hohe Genauigkeit orts-, winkel- und zeitabhängiger Rekonstruktionen der Wellenpakete nachgewiesen. Darüber hinaus ermöglicht das räumliche Kodieren und anschließende Verfolgen der Teilstrahlen eine wesentliche Verbesserung der Identifikation relevanter Parameter von Verteilungsfunktionen. Schließlich werden erste Schritte zur experimentellen Generation von optischen "light bullets" mit ganzzahligen und fraktalen orbitalen Drehmomenten präsentiert. / This thesis deals with the concept of radially non-oscillating, temporally stable ultrashort-pulsed Bessel-like beams or "needle pulses", which are an example of a highly localized wave packet (HLW). HLWs are the closest approximation of linear-optical light bullets and provide specific benefits compared to conventional Gaussian-like light bullets. The spatio-temporally nonspreading propagation behavior of few-cycle needle beams of less than 10 fs duration will be theoretically discussed in detail. An overview of the generation and detection of localized waves carrying an orbital angular momentum is also given. High fidelity spatial light modulators are used for the generation of HLWs. The flexible tailoring of few-cycle wave packets at near-infrared wavelengths is reported. It is shown that such pulses propagate over a huge depth of focus, neither significantly changing their spot size or nor the pulse duration. Variable geometrical distributions like circular disks, rings, or bars of light are shaped and exploited as building blocks for structures of higher complexity. Another section of the thesis emphasizes the numerous potential applications of related techniques for an optimized two-dimensional spatial pulse shaping and diagnostics (reduce ambiguities) based on localized waves. As a particularly important example, time-wavefront sensing is used to combine nonlinear multichannel autocorrelation with Shack-Hartmann wavefront sensing by means of localized sub-beams and adaptive functionality. The capabilities of such devices are illustrated by the results of angular and temporal mapping of few-cycle wave packets. Moreover, spatial encoding and subsequent tracking of individual sub-beams, even at incident angles of up to 50°, enables to significantly improve the spot recognition. Finally, first steps towards the generation of optical light bullets carrying integer or non-integer orbital angular momenta are presented.