Bibliographic Metadata
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- TitleMicroscopic investigation of light induced harmonic generation : ultrafast carrier dynamics and excitonic effects / Ruixin Zuo ; Erstgutachter: Prof. Dr. Torsten Meier, Zweitgutachter: Prof. Dr. Jan Sperling
- Author
- Degree supervisor
- Published
- Description1 Online-Ressource (XIV, 89 Seiten) Diagramme
- Institutional NoteKumulative Dissertation Universität Paderborn, Dissertation, 2025
- AnnotationTag der Verteidigung: 25.03.2025
- Defended on2025-03-25
- LanguageGerman
- Document TypesDissertation (PhD)
- Keywords (GND)
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Zusammenfassung
In dieser Arbeit haben wir die Erzeugung von hohen Harmonischen in photoangeregten Halbleitermaterialien theoretisch und numerisch untersucht. Zunächst untersuchen wir die nicht-ströungs theoretiche Erzeugung hoher Harmonischen in Volumen-Materialien auf der Grundlage einer quantenmechanischen Theorie und eines semiklassischen Dreistufenmodells. Wir schlagen einen Mechanismus der Kollision mit benachbarten Atomen vor, der möglichist, wenn sich die Wellenlänge der Elektronen der atomaren Größe nähert. Dies führt zu dem einzigartigen Phänomen der orientierungsabhängigen Emission hoher Harmonischer in Festkörpern. Die Kollisionsdynamik steht in engem Zusammenhang mit den Van-Hove-Singularitäten oder kritischen Linien in der Bandstruktur, die Art der Streuung bestimmen. Darüber hinaus entwickeln wir ein Quanten-Trajektorienmodell, in dem die Quantendynamik der Tunnel-Ionisation durch die klassisch verbotene Coulomb-Potentialbarriere berücksichtigt wird, um die Erzeugung hoher Harmonischer in Festkörpern zu analysieren. Wir zeigen, dass die Eigenschaften von Elektronen und Löchern nach dem Tunneln, die mit dem Grad der Adiabatizität des Tunnelns zusammenhängen, mit Hilfe der Hochharmonischen Interferometrie hoher Harmonischer untersucht werden können. Schließlich analysieren wir exzitonische Effekte, bei der Erzeugung der dritten Harmonischen in einem zweidimensionalen Material im Rahmen eines Störungsansatzes. Die Nichtlinearitäten höherer Ordnung, die Übergänge zwischen dem Kontinuum und den gebundenen Exziton-Zuständen beschreiben, sind für die Bestimmung der Effizienz der Erzeugung der dritten Harmonischen bei erhöhter optischer Anregungs-intensität relevant.
Abstract
In this thesis, we theoretically and numerically studied harmonic generation in photoexcited semiconductor materials. First, we investigate nonperturbative high harmonic generation from bulk materials based on a quantum mechanical theory and a semiclassicalt hree-step model. We propose a mechanism of the collision with neighboring atoms when the wavelength of electrons approaches atomic sizes which leads to the unique phenomenon of orientation-dependent high harmonic emission from solids. The collision dynamics is closely related to Van Hove singularities or critical lines in the band structure which determine the type of scattering upon collision. In addition, we develop a quantum trajectory model in which the quantum dynamics of tunneling ionization through the classically forbidden Coulomb potential barrier is taken into account for analyzing high harmonic generation in solids. We demonstrate that the properties of electrons and holes at the tunnel exit which are associated with the degree of adiabaticity of the tunneling can be probed via high harmonic interferometry. Finally, we investigate excitonic effects in third harmonic generation from a two-dimensional material by a perturbative approach. Higher-order nonlinearities representing transitions between the continuum and bound exciton states are relevant for determining the efficiency of the third harmonic generation for elevated optical field intensities.
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