In this thesis we present a study about strong light-matter interaction in a broad single GaAs/AlGaAs quantum well representing a 3-level system. In particular we investigate the AC-Stark effect, where we observe in THz absorption spectra an Autler-Townes splitting as well as a Mollow-triplet. Compared to previous work, we showed for the first time an all-THz pump-probe experiment in the THz regime below the Reststrahlenband. Furthermore, we observe a strong frequency shift in the absorption energy of the first intersubband transition depending on the charge carrier density in the quantum well. The Autler-Townes splitting as well as the absorption frequency shift can be potentially exploited for THz-modulation applications. Beyond nonlinear optics many interesting effects occur in the strong light-matter interaction regime such as Rabi oscillations, coherent population trapping, lasing without inversion, electromagnetically induced transparency (EIT) and the AC-Stark effect. Our quantum well represents a 3-level system in which we investigate a splitting behaviour in the absorption spectrum of the first and second intersubband transition. Especially a splitting for the first intersubband transition is predicted also for electromagnetically induced transparency, while the second intersubband transition is pumped with a strong varying electric field. Naturally, a fundamental question is, how to distinguish EIT and an Autler-Townes duplet since both result in a spectrally transparent window. The method of choice for investigations combines narrowband pulses in the THz range provided by a free-electron laser and broadband THz pulses generated in a GaP crystl within a THz time-domain spectroscopy setup. In this unique configuration we perform time-resolved pump and probe spectroscopy experiments by pumping resonantly the second intersubband transition at 3.4 THz to induce a splitting of the second and third subband. Broadband THz pulses then probe an absorption splitting of about 0.2 THz related to the first intersubband transition at ≈ 2.3 THz as well as a splitting of the second intersubband transition (Mollow triplet). Analyzing experiments and using a theoretical criteria to distinguish EIT and Autler-Townes splitting, we conclude to observe an Autler-Townes doublet instead of an EIT effect. / In dieser Arbeit berichten wir über die starke Licht-Materie Wechselwirkung in 3-Niveau system anhand eines einzelnen, breiten GaAs/AlGaAs Quantentopfes. Insbesondere untersuchen wir den AC-Stark Effekt und beobachten eine Aufspaltung des Absorptionsspektrums durch das Autler-Townes Dublett und das Mollow Triplett. Im direkten Vergleich mit vorangegangenen Arbeiten zeigen wir zum ersten Mal ein reines THz Anrege-Abfrage Experiment mit Frequenzen unterhalb des Reststrahlenbandes. Weiterhin beobachten wir eine starke Frequenzverschiebung der Absorptionsenergie des ersten Intersubbandübergangs in Abhängigkeit von der Ladungsträgerdichte im Quantentopf. Sowohl das Autler-Townes Dublett als auch die Verschiebung der Absorptionsfrequenz ermöglichen potentielle Anwendung im Bereich der THz-Modulation. Im Bereich der starken Licht-Materie Wechselwirkung sind viele interessante Effekte beobachtbar wie Rabi Oszillationen, coherent population trapping, Lasern ohne Inversion, elektromagnetisch induzierte Transparenz (EIT) und der AC-Stark Effekt. Unser Quantentopf stellt ein 3-Niveau System dar, in welchem wir eine Aufspaltung der Absorption bezüglich des ersten und zweiten Intersubbandübergangs beobachten. Insbesondere für den ersten Intersubbandübergang ist auch eine Absorptionsaufspaltung durch den EIT Effekt vorhergesagt, während der zweite Intersubbandübergang durch ein starkes, elektrisches Wechselfeld angeregt wird. Es stellt sich dann die Frage, wodurch sich die Effekte EIT und Autler-Townes splitting unterscheiden, weil beide durch ein spektrales transparentes Fenster gekennzeichnet sind. Die von uns gewählte Methode verknüpft schmalbandige, starke elecktrische Wechselfelder im THz-Bereich eines freien Elektronen Lasers und breitbandigen THz-Pulsen, welche durch nichtlineare optische Effekte in einem THz Zeit-Bereichs Spektroskopie Aufbaus erzeugt werden. In dieser einzigartigen Konfiguration führen wir zeitaufgelöste Anrege-Abfrage Spektroskopie Experimente durch, in dem wir den zweiten Intersubbandübergang bei 3, 4 THz nahezu resonant anregen und das zweite und dritte Subband aufspalten. Mit breitbandigen THz Pulsen fragen wir dann die Absorptionsaufspaltung von ca. 0, 2 THz des ersten Intersubbandübergangs bei ≈ 2, 3 THz und des zweiten Intersubbandübergangs (Mollow-Triplett) ab. Nach Auswerten der Experimente und theoretischer Kriterien für die Unterscheidung zwischen EIT und Autler-Townes splitting schlussfolgern wir, ein Autler-Townes Dublett zu beobachten.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:38238 |
| Date | 05 February 2020 |
| Creators | Schmidt, Johannes |
| Contributors | Helm, Manfred, Unterrainer, Karl, Technische Universität Dresden, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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