Farrag, AmrAmrFarrag2026-06-102026-06-102025-12-01https://dspace.ub.uni-siegen.de/handle/ubsi/9373The modern information era is built upon technologies such as telecommunications, cryptography, high-performance computing, and, more recently, artificial intelligence (AI). At the core of all these systems are electronic circuits, whose performance is fundamentally limited by the physical speed of electrons. Photonic technologies, by contrast, rely on light quanta—single photons—that propagate orders of magnitude faster and offer intrinsically higher bandwidth and enhanced security. Replacing electronic components with optical counterparts promises major advances in communication speed, data transfer, secure information processing, and quantum technologies. Central to these developments are ultrabright single-photon sources (SPSs), including quantum dots and color centers in solid-state hosts. However, the brightest SPSs currently require cryogenic temperatures, limiting their practicality in real-world applications. This dissertation proposes an alternative route toward achieving bright, room temperature single-photon emission by exploiting high-repetition-rate excitation. Advances in laser technology now allow solid-state lasers to operate at gigahertz repetition rates. By combining such excitation with hybrid quantum systems—where a quantum emitter is coupled to a nanophotonic structure to enhance its radiative emission through the Purcell effect—ultrabright SPSs can, in principle, be realized at room temperature. At these high radiative rates, however, the fluorescence lifetime becomes extremely short, well below the temporal resolution of conventional single-photon detectors, which are further constrained by cost, cryogenic requirements, bulkiness, and limited synchronization capabilities at gigahertz rates. To address this limitation, this dissertation demonstrates an optical Kerr gate (OKG) operating at a 1-GHz repetition rate with sub-picosecond temporal resolution. The OKG is a third-order (χ(3)) nonlinear optical process that does not require phase matching conditions and is therefore suitable for broadband fluorescence detection. Kerr gating was achieved using two distinct Kerr media: bulk bismuth-borosilicate (BBS) glass and two-dimensional thin graphite films. In both cases, OKG signals were generated using sub-nanojoule gate-pulse energies—remarkably low compared with traditional OKG implementations that rely on millijoule-level amplified pulses, more than six orders of magnitude higher. The temporal resolution achieved was 175 ± 1 fs with BBS glass (∼ 3% gating efficiency) and 141 ± 6 fs with thin graphite films (∼ 10% efficiency). This compact, room-temperature technique requires no cryocooler, vacuum system, or bulky amplification stages. The demonstrated OKG platform can be directly integrated into a standard confocal fluorescence microscope, enabling ultrafast fluorescence measurements from quantum emitters and paving the way for practical room-temperature ultrabright SPSs.Diese Dissertation schlägt eine neue Strategie zur Erhöhung der Helligkeit einzelner Quanteneinzelphotonenquellen bei Raumtemperatur vor, indem Festkörperemitter mit Laserpulsen hoher Wiederholrate (1 GHz) angeregt werden. Gleichzeitig wird die dafür notwendige ultraschnelle Nachweistechnologie experimentell entwickelt. Viele Festkörper-Einzelphotonenquellen – etwa Quantenpunkte oder Farbzentren – erreichen ihre höchste Helligkeit nur bei Kryotemperaturen. Eine vielversprechende Alternative besteht darin, diese Systeme mit Gigahertz-Laserraten anzupumpen, wodurch die Photonenzahl pro Sekunde stark erhöht werden kann, ohne auf kryogene oder komplexe nanophotonische Strukturen angewiesen zu sein. In hybriden Quantensystemen, bei denen ein Emitter an eine Nanokavität gekoppelt ist, kann der Purcell-Effekt jedoch zu sub-pikosekundenschnellen Fluoreszenzlebensdauern führen. Solche schnellen Dynamiken können mit herkömmlichen Einzelphotonendetektoren, deren zeitliche Auflösung auf einige Pikosekunden begrenzt ist, nicht mehr gemessen werden. Um diese Einschränkung zu überwinden, wird in dieser Arbeit ein optisches Kerr-Gate (OKG) mit einer Wiederholrate von 1 GHz und einer zeitlichen Auflösung im Sub-Pikosekunden-Bereich demonstriert. Das OKG basiert auf einem χ(3)-Prozess, erfordert keine strengen Phasenanpassungsbedingungen und kann in unterschiedlichen Kerr-Medien realisiert werden. Zwei Medien wurden untersucht: Borosilikatglas (BBS-Glas) als volumetrisches Kerr-Material sowie dünne Graphitfilme als zweidimensionales Kerr-Medium. In beiden Fällen konnten OKG-Signale mit Gate-Pulsenergien im Sub-Nanojoule-Bereich erzeugt werden – über sechs Größenordnungen unterhalb der Millijoule-Pulse, die in herkömmlichen OKG-Experimenten üblich sind. Mit BBSGlas wurde eine zeitliche Auflösung von 175 ± 1 fs und eine Gating-Effizienz von etwa 3 % erreicht; dünne Graphitfilme ermöglichten eine noch kürzere Antwortzeit von 141 ± 6 fs bei einer Effizienz von rund 10 %. Diese Ergebnisse zeigen, dass effizientes Kerr-Gating auch mit moderaten Leistungen gigahertz-basierter Festkörperlaser realisierbar ist – ohne Kryokühler, Vakuumsysteme oder sperrige Verstärker. Das demonstrierte OKG kann direkt in ein konfokales Fluoreszenzmikroskop integriert werden und ermöglicht die zeitliche Auflösung ultraschneller Fluoreszenzlebensdauern zukünftiger hybrider Quantensysteme, die mit Gigahertz-Pulsraten angeregt werden. Damit liefert diese Arbeit eine entscheidende Basistechnologie für ultrahelle Einzelphotonenquellen bei Raumtemperatur und für kompakte ultraschnelle Messsysteme in der Quantenphotonik.en530 PhysikOptical Kerr gate (OKG)Nonlinear opticsUltrafast spectroscopy2D materialsGrapheneSingle-photon sourcesOptisches Kerr-Gatter (OKG)Nichtlineare OptikUltraschnelle Spektroskopie2D-MaterialienGraphenEinzelphotonenquellenDoctoral ThesisAgio, Mariourn:nbn:de:hbz:467-93734