Modellierung der Licht-Materie-Wechselwirkung im Nanometerbereich

Nanooptische Komponenten stellen einen vielversprechenden Ansatz zur weiteren Miniaturisierung in der digitalen Rechen- und Übertragungstechnik dar. Bei Strukturgrößen im Subwellenlängenbereich sind einfache Beschreibungen des Lichts wie die Strahlen- oder die skalare Wellenoptik nicht mehr ausreichend. Stattdessen ist die Lösung der vollen Maxwellgleichungen, oftmals gekoppelt an weitere Gleichungen für das jeweilige Materialsystem notwendig. Hier stellen numerische Methoden einen wertvollen Zugang dar. In dieser Arbeit werden verschiedene nanooptische Systeme numerisch modelliert und untersucht. Im ersten Teil der Arbeit wird ein Modell auf Basis der Finiten Differenzen im Zeitbereich (FDTD) gekoppelt an die Halbleiter-Blochgleichungen vorgestellt. Die Selektion von Lasermoden in Halbleiter-Nanodrahtlasern wird im Rahmen des Modells untersucht und experimentelle Messungen werden simuliert und theoretisch erklärt. Die Dynamik auf längeren Zeitskalen wird mit einem vereinfachten Modell basierend auf der gekoppelten Modentheorie simuliert. So können experimentelle Eigenschaften der anregungsabhängigen Zeitdynamik reproduziert und erklärt werden. In einem zweiten Teil der Arbeit wird die stark nichtlineare Propagation intensiver Laserpulse in Quarzglas untersucht. Die Licht-Materie-Wechselwirkung wird mit der FDTD-Methode gekoppelt an ein Ratengleichungsmodell sowie ein Drude-Modell für das erzeugte Plasma beschrieben. Anhand dieses einfachen Modells wird die Ausbildung selbstorganisierter Plasmastrukturen simuliert, welche auffällige Ähnlichkeiten zu experimentell beobachteten Volumen-Nanogittern in Quarzglas aufweisen. Anhand dieser Beobachtungen wird ein Erklärungsmodell für die selbstorganisierte Gitterbildung im Quarzglasvolumen vorgeschlagen.