Kurzfassung
Mit den Fortschritten der Ultrakurzzeitoptik und der Erzeugung von passiven phasenstarren
optischen Wellenformen, die nur aus wenigen Schwingungen des elektromagnetischen Feldes
bestehen, entstand die Idee, Elektronen auf der Frequenzskala des Lichts zu steuern.
Damit wurde das Potenzial erkannt, eine kontrollierte optische Wellenform zum Schalten elektronischer
Schaltelemente mit der Frequenz einer optischen Welle zu verwenden, die typischerweise
in der Größenordnung von 0.1 bis 1 Petahertz (10^15 Hz) liegt. Dies übertrifft die
Frequenz der schnellsten elektronischen Bauteile um zwei bis drei Größenordnungen und
die Taktraten moderner Computer um bis zu sechs Größenordnungen. Viele bahnbrechende Experimente
haben gezeigt, dass optische Wellenformen genutzt werden können, um Attosekunden
schnelle Elektronenströme an Metall-Vakuum-Grenzflächen zu erzeugen, oder in
dielektrischen Materialien mit großer Bandlücke oder in Luft. In dieser Arbeit
wird gezeigt, wie durch Ausnutzung der Plasmonischen Feldüberhöhung in integrierte metallische
Nanoantennen ultrakurze optische Pulse im Picojoule-Bereich attosekundenschnelle
Feldemission erzeugen kann. Unter Ausnutzung der Attosekunden-Ströme auf der Nanoskala
wird eine Zeitdomänen Feldabtastung mit Petahertz-Bandbreite und einer Empfindlichkeit von
5 Femtojoule experimentell demonstriert. Der Einfluss der Antennensymmetrie und des
Bauelementdesigns auf den Frequenzgang der Abtastung wird theoretisch untersucht, um anwendungsspezifische
Designstrategien zu entwickeln. Um die integrierte Nanoantennenplattform
weiter zu testen, haben wir eine passiv Träger-Einhüllenden Phasen (CEP) stabile
Sub-2-Zyklus-Laserquelle entwickelt, die Pulse mit einer Dauer von 16 fs bei einer zentralen
Wellenlänge von 2.7 μm mit > 84 nJ Energie bei einer Repetitionsrate von 50 kHz erzeugt.
Das System basiert auf der adiabatischen Differenzfrequenzerzeugung und vereinfacht
bisherige Implementierungen erheblich, da es ausschließlich auf materialbasierter Kompression
beruht. Darüber hinaus wird zum ersten Mal die CEP-Stabilität der adiabatischen Differenzfrequenzerzeugung
gemessen, die eine hervorragende passive Stabilität von 190 mrad rms aufzeigt.
Ich zeige, dass sich die CEP-abhängige Ladungsausbeute einer einzelnen Nanoantenne durch
den Einsatz der neu entwickelten Sub-2-Zyklen-Quelle im mittleren Infrarot von bisher 0.1
Elektronen pro Laserschuss auf > 3 Elektronen, also um den Faktor 30 verbessern
l¨asst. Durch diese signifikante Verbesserung und die gleichzeitige Beleuchtung von bis zu 1000
Antennen erzeugen wir CEP-abhängige Ströme von bis zu 3000 Elektronen pro Schuss und
konnten damit frühere Ergebnisse um drei Größenordnungen verbessern. Die Ergebnisse
dieser Arbeit werden viele interessante Wege für die Erforschung von Elektronik mit optischen
Frequenzen auf der Basis integrierter Nanoantennen er¨offnen, wie unter anderem Logikschaltungen
mit Petahertz-Bandbreite, oder als Anwendung für ultra-breitbandige Zeitbereichs
spektroskopie im Infrarot, die kontinuierlich das Terahertz- bis sichtbare Spektrum abdeckt.
With the advent of ultrafast optics and controllable waveforms consisting of only a few oscillations of the electric field, the idea of controlling electrons at the frequency of light was born. This established the potential of using a controlled optical waveform to switch electronic circuit elements at the frequency of an optical wave, typically on the order of 0.1 to 1 petahertz (10^15 Hz). This exceeds the frequency of the fastest electronic devices by two to three orders of magnitude and the clock rates of modern computers by up to six orders of magnitude. To this end, many pioneering experiments have shown that optical waveforms can be used to drive attosecond electron currents at metal-vacuum interfaces, in dielectric large bandgap materials or in air. This thesis shows how integrated metallic nanoantennas are utilized to enhance the electric field of optical few-cycle pulses in nanometer-sized hotspots, generating sub-cycle field emission with only picojoule-level pulse energies. Exploiting the attosecond-fast currents on the nanoscale, petahertz bandwidth field sampling with 5 femtojoule sensitivity is experimentally demonstrated. The influence of antenna symmetry and device design on the sampling frequency response is investigated theoretically to guide application specific design strategies. To further test the integrated nanoantenna platform, we have developed a passively CEP-stable sub-2-cycle laser source that produces 16 fs duration pulses at a central wavelength of 2.7 μm with > 84 nJ energy at a repetition rate of 50 kHz. The system is based on adiabatic difference generation, and significantly simplifies previous implementations by relying solely on material-based compression. Furthermore, the CEP stability of adiabatic difference generation is measured for the first time and shows excellent passive stability of 190 mrad rms. We show that by using the newly developed mid-infrared sub-2-cycle source, the CEP dependent yield of a single nanoantenna is significantly improved by a factor of 30 from a previous 0.1 electrons per laser shot to > 3 electrons. Thanks to this significant improvement, and by illuminating up to 1000 antennas, we produce fully carrier-envelope phase (CEP) dependent currents of up to 3000 electrons per shot, improving previous results by three orders of magnitude. The results of this work will open many interesting avenues for the exploration of optical frequency electronics based on integrated nanoantennas, such as ultra-broadband time spectroscopy in the infrared continuously covering the terahertz to visible spectrum, or petahertz bandwidth logic circuits.