This thesis has introduced a novel microscope which combines the outstanding properties of ultrafast multi-terahertz spectroscopy and scattering-type scanning near-field optical microscopy to observe the femtosecond dynamics of low-energy elementary excitations, e.g. phonons, plasmons and excitons, at the surface of solid-state systems. Ultrabroadband phase-locked mid-infrared light pulses are focused onto a nanometer-sized metal tip of the atomic force microscope. When approached to a sample surface, the tip acts as a local optical probe, confining the light pulses at its apex. Detection of the scattered radiation reveals information about the optical properties of the sample with a spatial resolution of 10nm, ultimately limited by the tip radius of curvature. Electro-optic sampling, one of the most notable techniques of terahertz spectroscopy, is employed to detect the scattered oscillating electric near field directly in the time domain with a temporal resolution of 10fs. Together with pump-probe experiments this technique enables the observation of the dynamics of low-energy elementary excitations on sub-cycle timescales, faster than a single oscillation cycle of the multi-terahertz probe pulses. The combination of ultrafast multi-terahertz spectroscopy and near-field microscopy culminates in a unique microscope that achieves an unprecedented combined temporal (10fs) and spatial (10nm) resolution in the mid-infrared wavelength region.

In dieser Dissertation wird ein neuartiges Mikroskop beschrieben, welches die herausragenden Eigenschaften der ultraschnellen multi-Terahertz Spektroskopie und der Nahfeldmikroskopie verbindet. Damit ist es zum ersten Mal möglich die Femtosekunden-Dynamik von niederenergetischen Elementaranregungen, wie zum Beispiel Phononen, Plasmonen oder Exzitonen, direkt an der Oberfläche von Festkörpern zu untersuchen. Ultrabreitbandige, phasen-stabile, mittelinfrarote Lichtimpulse werden dazu auf die Spitze eines Rasterkraftmikroskops fokussiert. Angenähert an die Oberfläche einer Probe, fungiert diese Spitze als Nanometer große Sonde, die das Licht an ihrem Ende bündelt. Die Detektion des gestreuten Lichts ermöglicht es dann Informationen über die lokalen optischen Eigenschaften der Probe direkt unterhalb der Spitze zu erhalten. Die räumliche Auflösung beträgt hierbei 10 Nanometer und ist grundsätzlich nur durch den Radius der Spitze limitiert. In diesem Experiment wird das gestreute elektrische Nahfeld direkt mit Hilfe eines Elektro-optischen Detektors gemessen. Diese Methode gewährleistet eine ultimative Zeitauflösung von 10fs und erlaubt in Kombination mit Anrege-Abtast Experimenten eine direkte Beobachtung der Dynamik von niederenergetischen Elementaranregungen auf einer Sub-Zyklen Zeitskala, schneller als ein einzelner Oszillationszyklus des multi-Terahertz Abtastimpulses. Die Kombination von ultraschneller multi-Terahertz Spektroskopie mit der Nahfeldmikroskopie gipfelt in einem einzigartigen Mikroskop mit einer bisher nicht dagewesenen kombinierten zeitlichen (10fs) und räumlichen (10nm) Auflösung im mittelinfraroten Spektralbereich.