Röntgen-Spektrometer und -Monochromatoren mit Femtosekunden-Zeitauflösung auf der Basis zweidimensionaler VLS-Gitter und Reflexionszonenplatten

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Das Institut für Angewandte Photonik (IAP) e. V. entwickelt neuartige Optiken und Geräte für die Nutzung weicher Röntgenstrahlung. Die von der Firma Nano Optics Berlin (NOB) GmbH hergestellten zweidimensionalen Gitter variabler Liniendichte („variable line space“, VLS) und Reflexionszonenplatten bilden die Basis für eine neue Gerätegeneration ultraschneller Spektrometer und Monochromatoren. Diese Entwicklungen basieren auf einer 10-jährigen Forschungsarbeit an der BESSY GmbH und später am Institut für Nanometer-Optik und -Technologie des Helmholtz-Zentrums Berlin GmbH.

Die erstmals erfolgreiche, praktische Implementierung einer Totalreflexions-Zonenplatte (TRZP) als Monochromator-Spektrometer für Synchrotronstrahlung erfolgte 2008 am „Femtoslicing“-Strahlrohr.

Die 20-fach höhere Transmission und eine Pulsverlängerung in der Größenordnung von 30 fs mit einer Energieauflösung, die jener eines konventionellen Plangitter-Monochromators vergleichbar ist, ließen zahlreiche interne und externe Nutzer ihre hochrangigen Experimente am BESSY II durchführen.

Das „FemtoSpeX“-Strahlrohr kann derzeit einen Energiebereich von 300 eV bis 1200 eV mit paralleler Aufnahme der XANES-Spektren von Elementen bei einer Zeitauflösung bis hinab zu ~ 100 fs abdecken.

Das Prinzip der Kombination dreier Funktionen (Reflexion, Energie-Dispersion und Fokussierung) in einem optischen Element wurde für die Entwicklung einer neuen Generation von Spektrometern für die Spektroskopie an stark verdünnten Materialien, fs-Monochromatoren für Generatoren Hoher Harmonischer („high harmonic generation“, HHG) und Laser-Plasma-Röntgenquellen erweitert.

Erstmals wurde ein neuer Ansatz für die Monochromatisierung und Fokussierung von HHG-Quellen im Vakuum-Ultraviolett und weichen Röntgenbereich – wie von im nahen Infrarot-Spektralbereich operierenden Femtosekunden-Lasern erzeugt – mit einem einzigen optischen Element, einer RZP, entwickelt und umgesetzt.

Figur 1. Schematische Darstellung des experimentellen Aufbaus (a) Bezeichnungen: I – Irisblende, W – Wellenplatte, L – Linse, DP – Differentieller Pumpstand, A – Apertur, F – Aluminiumfolie, ZP – Zonenplatte, S – Schlitz, P verschiebbare Photodiode, TM – Toroidspiegel, M – verschiebbarer Planarspiegel, D – ortsempfindlicher Detektor, TOF Flugzeit-Elektronenspektrometer/ Foto eines Reflexionszonenplattenarrays für 17., 19. und 21. Harmonische von 800 nm (b)

 

Die „off axis“-RZPs, eingesetzt als fokussierende Monochromatoren, erlauben den Kompromiss zwischen Energieauflösung und zeitlicher Dispersion der fs-Pulse wirksam zu optimieren.

Im Design aus Abb. 1(a) ist eine einzelne Harmonische mit einer effektiven Pulslänge von 45 fs ausgewählt. Es resultiert eine hohe Transmissionseffizienz (etwa 28 % bei 32.55 eV) bei vereinfachter Handhabung des extrem ultravioletten Strahls aus den genannten Eigenschaften.

Die Balance zwischen Energie- und Zeitauflösung kann innerhalb einer einzelnen RZP durch die Verwendung von Ausschnitten unterschiedlicher Liniendichte erreicht werden. Das sichert den flexiblen Einsatz eines RZP-basierten Monochromators.

Das IAP e. V. arbeitet nun in Kooperation mit der NOB GmbH an der Erweiterung des Monochromator-Energiebereichs bis zu 1200 eV für die neue Generation hochenergetischer HHG-Quellen. Die neuen Spektrometer und Monochromatoren sind bereits im Portfolio. Gerne erwarten wir für die Unterbreitung eines Angebotes Ihre Spezifikation bzw. Aufgabenstellung.

Die weitere Verbesserung der Zeitauflösung ist unter Verwendung von Monochromatoren möglich, die die Zeitverzögerung kompensieren („time delay compensating monochromator“, TDCM).

Figur 2: Prinzip eines die Zeitverzögerung kompensierenden Monochromators auf der Basis von zwei RZPs

Momentan entwickelt das IAP e. V. einen neuen TDCM-Typ mit einer Pulsverlängerung unter 5 fs, bei kontinuierlicher Abstimmung im Energiebereich von 100 eV – 1000 eV. Der TDCM besteht aus zwei identischen 2D-VLS-Gittern, die in entgegengesetzter Beugungsordnung angeordnet sind, wie in Abb. 2 gezeigt. Im Vergleich mit existierenden 6-elementigen TDC-Monochromatoren liefert das vorgeschlagene Design im oben genannten Energiebereich eine um eine Größenordnung erhöhte Effizienz.

In der Klasse der Laborgeräte bietet das Vielkanal-RZP- Fluoreszenzspektrometer für Rasterelektronenmikroskope im Energiebereich von 40 eV bis 1000 eV eine einzigartige Leistungsfähigkeit. Bitte übermitteln Sie uns Ihre konkreten Anforderungen.

Das IAP e. V. bietet zugleich Unterstützung beim Entwurf und der Konstruktion hocheffizienter röntgenoptischer Spektrometer einschließlich der 2-elementigen „Hettrick-Underwood“-Spektrometer für die parallele Spektrenaufnahme an, aber auch speziell entwickelte Spektrometer und Monochromatoren, die auf zweidimensionalen VLS-Gittern und RZPs basieren. Schicken Sie uns bitte auch hierzu Ihre Anfrage.