Entwicklung hochauflösender röntgenoptischer Verfahren für Hohe-Harmonische-Strahlung im extrem ultravioletten Spektralbereich

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung röntgenoptischer Komponenten und deren Anwendung an einer Hohe-Harmonische-Quelle im extrem ultravioletten Spektralbereich um 13 nm Wellenlänge. Die durch Frequenzvervielfachung erzeugten Harmonischen hoher Ordnung eines gepulsten Titan:Saphir-Lasers weisen laserähnliche Eigenschaften auf, die sie für verschiedenste Anwendungsgebiete interessant machen. Die Emission der untersuchten Harmonischen erfolgt in einen Strahlungskegel geringer Divergenz von typischerweise 1 mrad und weist mit dem Fundamentalpuls vergleichbare räumliche Kohärenzeigenschaften auf. Der missionsprozess ist auf ein Zeitintervall beschränkt, das kleiner als die Laserpulsdauer ist, so dass die Pulsdauer der Harmonischen-Strahlung im Bereich einiger fs oder darunter liegt. Diese Eigenschaften machen diese Form von elektromagnetischer Strahlung in Verbindung mit der relativ kleinen Wellenlänge zu einer erfolgversprechenden Sonde für die zeitaufgelöste Untersuchung sehr schneller, z.B. elektronischer Prozesse in Materie. Statische röntgenoptische Verfahren für hohe räumliche oder spektrale Auflösungen zur Aufklärung der mikroskopischen Struktur von Materie können unter Verwendung der hohen Harmonischen so um die Zeitdimension erweitert und auf die Analyse dynamischer Prozesse auf einer fs-Skala ausgedehnt werden.<br /> Als ein erster Schritt in diese Richtung konnten mit dafür entwickelten optischen Komponenten Verfahren aus den Bereichen Mikroskopie, Interferometrie und Spektroskopie mit Hohe-Harmonische-Strahlung erfolgreich umgesetzt werden. So wurde ein räumlich hochauflösender röntgenmikroskopischer Aufbau realisiert, der aus einem sphärischem Multilayer-Spiegel als Kondensor und einer Zonenplatte als Objektiv besteht. Mit diesem Aufbau gelang es, in Kieselalgen Strukturen von bis zu 160 nm aufzulösen. Weiter wurde die Funktionsfähigkeit eines Interferometers basierend auf zwei Zonenplatten demonstriert, die als Strahlteiler und als rekombinierendes optisches Element fungieren. Mit diesem Interferometer wurde erstmalig eine direkte Bestimmung der komplexen Brechzahl bei 13 nm Wellenlänge an einer Laborröntgenquelle durchgeführt. Im Rahmen der Absorptionsspektroskopie wurden Messungen der chemischen Verschiebung an den L-Absorptionskanten von Aluminium und Silizium durchgeführt, mit denen die Eignung der hohen Harmonischen für diesen Zweck gezeigt werden konnte. An Silizium-Proben wurde darüber hinaus in einem Pump-Probe-Experiment mit Zeitauflösung die photoinduzierte Änderung der Absorption an der Si-L-Kante untersucht.