In this paper, we describe an ultrafast scanning electron microscope setup developed for the research of inelastic scattering of electrons at optical near-fields of periodic dielectric nanostructures. Electron emission from the Schottky cathode is controlled by ultraviolet femtosecond laser pulses. The electron pulse duration at the interaction site is characterized via cross-correlation of the electrons with an infrared laser pulse that excites a synchronous periodic near-field on the surface of a silicon nanostructure. The lower limit of 410 fs is found in the regime of a single electron per pulse. The role of pulse broadening due to Coulomb interaction in multielectron pulses is investigated. The setup is used to demonstrate an increase in the interaction distance between the electrons and the optical near-fields by introducing a pulse-front-tilt to the infrared laser beam. Furthermore, we show the dependence of the final electron spectra on the resonance condition between the phase velocity of the optical near-field and the electron propagation velocity. The resonance is controlled by adjusting the initial electron energy/velocity and by introducing a linear chirp to the structure period allowing the increase of the final electron energy gain up to a demonstrated value of 3.8 keV.

1.
J.
Rosenzweig
,
A.
Murokh
, and
C.
Pellegrini
,
Phys. Rev. Lett.
74
,
2467
(
1995
).
2.
T.
Plettner
,
P. P.
Lu
, and
R. L.
Byer
,
Phys. Rev. Spec. Top.—Accel. Beams
9
,
111301
(
2006
).
4.
K.
Mizuno
,
S.
Ono
, and
O.
Shimoe
,
Nature
253
,
184
(
1975
).
5.
T.
Plettner
,
R. L.
Byer
,
E.
Colby
,
B.
Cowan
,
C. M. S.
Sears
,
J. E.
Spencer
, and
R. H.
Siemann
,
Phys. Rev. Spec. Top.-Accel. Beams
8
,
121301
(
2005
).
6.
E. A.
Peralta
,
K.
Soong
,
R. J.
England
,
E. R.
Colby
,
Z.
Wu
,
B.
Montazeri
,
C.
McGuinness
,
J.
McNeur
,
K. J.
Leedle
,
D.
Walz
,
E. B.
Sozer
,
B.
Cowan
,
B.
Schwartz
,
G.
Travish
, and
R. L.
Byer
,
Nature
503
,
91
(
2013
).
7.
J.
Breuer
and
P.
Hommelhoff
,
Phys. Rev. Lett.
111
,
134803
(
2013
).
8.
R. J.
England
,
R. J.
Noble
,
K.
Bane
,
D.
Dowell
,
C. K.
Ng
,
J. E.
Spencer
,
S.
Tantawi
,
R. L.
Byer
,
E.
Peralta
,
K.
Soong
,
C. M.
Chang
,
B.
Montazeri
,
S. J.
Wolf
,
B.
Cowan
,
J.
Dawson
,
W.
Gai
,
P.
Hommelhoff
,
Y. C.
Huang
,
C.
Jing
,
C.
McGuiness
,
R. B.
Palmer
,
B.
Naranjo
,
J.
Rosenzweig
,
G.
Travish
,
A.
Mizrahi
,
L.
Schachter
,
C.
Sears
,
G. R.
Werner
, and
R. B.
Yoder
,
Rev. Mod. Phys.
86
,
1337
(
2014
).
9.
K. J.
Leedle
,
A.
Ceballos
,
H.
Deng
,
O.
Solgaard
,
R. F.
Pease
,
R. L.
Byer
, and
J. S.
Harris
,
Opt. Lett.
40
,
4344
(
2015
).
10.
J.
McNeur
,
M.
Kozák
,
N.
Schönenberger
,
K. J.
Leedle
,
H.
Deng
,
A.
Ceballos
,
H.
Hoogland
,
A.
Ruehl
,
I.
Hartl
,
O.
Solgaard
,
J. S.
Harris
,
R. L.
Byer
, and
P.
Hommelhoff
,
Optica
5
,
687
690
(
2018
).
11.
M.
Kozák
,
M.
Förster
,
J.
McNeur
,
N.
Schönenberger
,
K.
Leedle
,
H.
Deng
,
J. S.
Harris
,
R. L.
Byer
, and
P.
Hommelhoff
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A
865
,
84
(
2017
).
12.
K. J.
Leedle
,
R.
Pease
, and
R. L.
Byer
,
Optica
2
,
158
(
2015
).
13.
J.
Breuer
,
R.
Graf
,
A.
Apolonski
, and
P.
Hommelhoff
,
Phys. Rev. Spec. Top.—Accel. Beams
17
,
021301
(
2014
).
14.
B.
Barwick
,
D. J.
Flannigan
, and
A. H.
Zewail
,
Nature
462
,
902
(
2009
).
15.
F. J.
García de Abajo
,
A.
Asenjo-Garcia
, and
M.
Kociak
,
Nano Lett.
10
,
1859
(
2010
).
16.
S. T.
Park
,
M.
Lin
, and
A. H.
Zewail
,
New J. Phys.
12
,
123028
(
2010
).
17.
M. T.
Hassan
,
J. S.
Baskin
,
B.
Liao
, and
A. H.
Zewail
,
Nat. Photonics
11
,
425
(
2017
).
18.
L.
Piazza
,
T. T. A.
Lummen
,
E.
Quiñonez
,
Y.
Murooka
,
B. W.
Reed
,
B.
Barwick
, and
F.
Carbone
,
Nat. Commun.
6
,
6407
(
2015
).
19.
A.
Feist
,
K. E.
Echternkamp
,
J.
Schauss
,
S. V.
Yalunin
,
S.
Schäfer
, and
C.
Ropers
,
Nature
521
,
200
(
2015
).
20.
K. E.
Priebe
,
C.
Rathje
,
S. V.
Yalunin
,
T.
Hohage
,
A.
Feist
,
S.
Schäfer
, and
C.
Ropers
,
Nat. Photonics
11
,
793
(
2017
).
21.
K. E.
Echternkamp
,
A.
Feist
,
S.
Schäfer
, and
C.
Ropers
,
Nat. Phys.
12
,
1000
(
2016
).
22.
B.
Barwick
and
A. H.
Zewail
,
ACS Photonics
2
,
1391
(
2015
).
23.
M.
Kozák
,
J.
McNeur
,
K. J.
Leedle
,
H.
Deng
,
N.
Schönenberger
,
A.
Ruehl
,
I.
Hartl
,
J. S.
Harris
,
R. L.
Byer
, and
P.
Hommelhoff
,
Nat. Commun.
8
,
14342
(
2017
).
24.
M. T.
Hassan
,
H.
Liu
,
J. S.
Baskin
, and
A. H.
Zewail
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
112
,
12944
(
2015
).
25.
Y.
Morimoto
and
P.
Baum
,
Phys. Rev. A
97
,
033815
(
2018
).
26.
Y.
Morimoto
and
P.
Baum
,
Nat. Phys.
14
,
252
(
2018
).
27.
D. J.
Flannigan
and
A. H.
Zewail
,
Acc. Chem. Res.
45
,
1828
(
2012
).
28.
F. O.
Kirchner
,
A.
Gliserin
,
F.
Krausz
, and
P.
Baum
,
Nat. Photonics
8
,
52
(
2014
).
29.
M.
Kozák
,
N.
Schönenberger
, and
P.
Hommelhoff
,
Phys. Rev. Lett.
120
,
103203
(
2018
).
30.
J.
Breuer
,
J.
McNeur
, and
P.
Hommelhoff
,
J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys.
47
,
234004
(
2014
).
31.
P.
Hommelhoff
,
Y.
Sortais
,
A.
Aghajani-Talesh
, and
M. A.
Kasevich
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
077401
(
2006
).
32.
P.
Hommelhoff
,
C.
Kealhofer
, and
M. A.
Kasevich
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
247402
(
2006
).
33.
B.
Barwick
,
C.
Corder
,
J.
Strohaber
,
N.
Chandler-Smith
,
C.
Uiterwaal
, and
H.
Batelaan
,
New J. Phys.
9
,
142
(
2007
).
34.
M.
Schenk
,
M.
Krüger
, and
P.
Hommelhoff
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
257601
(
2010
).
35.
R.
Bormann
,
M.
Gulde
,
A.
Weismann
,
S. V.
Yalunin
, and
C.
Ropers
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
147601
(
2010
).
36.
V. A.
Lobastov
,
R.
Srinivasan
, and
A. H.
Zewail
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
102
,
7069
(
2005
).
37.
A.
Feist
,
N.
Bach
,
N. R.
da Silva
,
T.
Danz
,
M.
Möller
,
K. E.
Priebe
,
T.
Domröse
,
J. G.
Gatzmann
,
S.
Rost
,
J.
Schauss
,
S.
Strauch
,
R.
Bormann
,
M.
Sivis
,
S.
Schäfer
, and
C.
Ropers
,
Ultramicroscopy
176
,
63
(
2017
).
38.
D.-S.
Yang
,
O. F.
Mohammed
, and
A. H.
Zewail
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
107
,
14993
(
2010
).
39.
Z.
Wu
,
R. J.
England
,
C.-K.
Ng
,
B.
Cowan
,
C.
McGuinness
,
C.
Lee
,
M.
Qi
, and
S.
Tantawi
,
Phys. Rev. Spec. Top.—Accel. Beams
17
,
081301
(
2014
).
40.
H.
Deng
,
J.
Jiang
,
Y.
Miao
,
K. J.
Leedle
,
H.
Li
,
O.
Solgaard
,
R. L.
Byer
, and
J. S.
Harris
, preprint arXiv:1701.08945 (
2017
).
41.
M.
Kozák
,
P.
Beck
,
H.
Deng
,
J.
McNeur
,
N.
Schönenberger
,
C.
Gaida
,
F.
Stutzki
,
M.
Gebhardt
,
J.
Limpert
,
A.
Ruehl
,
I.
Hartl
,
O.
Solgaard
,
J. S.
Harris
,
R. L.
Byer
, and
P.
Hommelhoff
,
Opt. Express
25
,
19195
(
2017
).
42.
M.
Kozák
,
T.
Eckstein
,
N.
Schönenberger
, and
P.
Hommelhoff
,
Nat. Phys.
14
,
121
(
2018
).
43.
MS.
Brongsgeest
, “
Physics of Schottky electron sources
,” Ph.D. thesis (
Delft University of Technology
,
2009
).
45.
G. M.
Caruso
,
F.
Houdellier
,
P.
Abeilhou
, and
A.
Arbouet
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
023101
(
2017
).
46.
T.
Plettner
and
R. L.
Byer
,
Phys. Rev. Spec. Top.—Accel. Beams
11
,
030704
(
2008
).
47.
D.
Cesar
,
J.
Maxson
,
P.
Musumeci
,
X.
Shen
,
R. J.
England
,
K. P.
Wootton
, and
S.
Tan
, preprint arXiv:1804.00634v2 (
2018
).
48.
S.
Akturk
,
X.
Gu
,
E.
Zeek
, and
R.
Trebino
,
Opt. Express
12
,
4399
(
2004
).
49.
D.
Kreier
and
P.
Baum
,
Opt. Lett.
37
,
2373
(
2012
).
50.
J.
Borggreen
,
B.
Elbek
, and
L.
Perch Nielsen
,
Nucl. Instrum. Methods
24
,
1
(
1963
).
51.
M.
Kozák
,
J.
McNeur
,
K. J.
Leedle
,
H.
Deng
,
N.
Schönenberger
,
A.
Ruehl
,
I.
Hartl
,
H.
Hoogland
,
R.
Holzwarth
,
J. S.
Harris
,
R. L.
Byer
, and
P.
Hommelhoff
,
Opt. Lett.
41
,
3435
(
2016
).
52.
B. J.
Siwick
,
A. A.
Green
,
C. T.
Hebeisen
, and
R. J. D.
Miller
,
Opt. Lett.
30
,
1057
1059
(
2005
).
53.
C. T.
Hebeisen
,
R.
Ernstorfer
,
M.
Harb
,
T.
Dartigalongue
,
R. E.
Jordan
, and
R. J. D.
Miller
,
Opt. Lett.
31
,
3517
3519
(
2006
).
54.
C. T.
Hebeisen
,
G.
Sciaini
,
M.
Harb
,
R.
Ernstorfer
,
T.
Dartigalongue
,
S. G.
Kruglik
, and
R. J. D.
Miller
,
Opt. Express
16
,
3334
3341
(
2008
).
55.
V. R.
Morrison
,
R. P.
Chatelain
,
C.
Godbout
, and
B. J.
Siwick
,
Opt. Express
21
,
21
29
(
2013
).
57.
K.
Kinoshita
,
M.
Ito
, and
Y.
Suzuki
,
Rev. Sci. Instrum.
58
,
932
(
1987
).
58.
M.
Aidelsburger
,
F. O.
Kirchner
,
F.
Krausz
, and
P.
Baum
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
107
,
19714
(
2010
).
59.
J.
Hoffrogge
,
J. P.
Stein
,
M.
Krüger
,
M.
Förster
,
J.
Hammer
,
D.
Ehberger
,
P.
Baum
, and
P.
Hommelhoff
,
J. Appl. Phys.
115
,
094506
(
2014
).
60.
A.
Paarmann
,
M.
Gulde
,
M.
Müller
,
S.
Schäfer
,
S.
Schweda
,
M.
Maiti
,
C.
Xu
,
T.
Hohage
,
F.
Schenk
,
C.
Ropers
, and
R.
Ernstorfer
,
J. Appl. Phys.
112
,
113109
(
2012
).
61.
B. J.
Siwick
,
J. R.
Dwyer
,
R. E.
Jordan
, and
R. J. D.
Miller
,
J. Appl. Phys.
92
,
1643
(
2002
).
62.
T.
van Oudheusden
,
E. F.
de Jong
,
S. B.
van der Geer
,
W. P. E. M.
Op 't Root
,
O. J.
Luiten
, and
B. J.
Siwick
,
J. Appl. Phys.
102
,
093501
(
2007
).
63.
T.
van Oudheusden
,
P. L. E. M.
Pasmans
,
S. B.
van der Geer
,
M. J.
de Loos
,
M. J.
van der Wiel
, and
O. J.
Luiten
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
264801
(
2010
).
64.
A.
Gliserin
,
M.
Walbran
,
F.
Krausz
, and
P.
Baum
,
Nat. Commun.
6
,
8723
(
2015
).
65.
C.
Kealhofer
,
W.
Schneider
,
D.
Ehberger
,
A.
Ryabov
,
F.
Krausz
, and
P.
Baum
,
Science
352
,
429
(
2016
).
66.
K. P.
Wootton
,
Z.
Wu
,
B. M.
Cowan
,
A.
Hanuka
,
I. V.
Makasyuk
,
E. A.
Peralta
,
K.
Soong
,
R. L.
Byer
, and
R. J.
England
,
Opt. Lett.
41
,
2696
(
2016
).
67.
B.
Naranjo
,
A.
Valloni
,
S.
Putterman
, and
J. B.
Rosenzweig
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
164803
(
2012
).
You do not currently have access to this content.