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Neue optische Komponenten für ultraschnelle Experimente

Lichtquellen, die kohärente hochenergetische Strahlung in ultrakurzen Impulsen emittieren, sind für die Untersuchung chemischer Reaktionen in extrem kurzen Zeitskalen ein bewährtes Instrument. Im Rahmen eines EU-finanzierten Projekts wurden neue diffraktive optische Elemente (DOEs) entwickelt, die neue Forschungsanwendungsmöglichkeiten für die Untersuchung ultraschneller Reaktionsdynamiken bieten.
Neue optische Komponenten für ultraschnelle Experimente
Mit einer Dauer, die an die Zeitskalen fundamentaler atomarer und molekularer Prozesse reicht, wird durch die Erzeugung ultraschneller optischer Impulse in Laboren auf der ganzen Welt die Biologie, die Physik und die Chemie revolutioniert. Mithilfe von Impulslasern macht es eine zeitaufgelöste Spektroskopie möglich, hochdynamische Prozesse molekularer Bewegungen und des Elektronentransfers zwischen Atomen sichtbar zu machen. Die Einbindung geeigneter DOEs mit einer hohen temporalen Kohärenz in das optische Feld eines Laserstrahls ist die Grundlage für weitere Fortschritte bei spektroskopischen Verfahren.

Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts 3D RZP (The advanced instrumentation on the basis of 3D RZP for modern UV and X-ray sources) entwickelten Wissenschaftler qualitativ hochwertige optische Komponenten für eine zeitaufgelöste Spektroskopie, welche den gesamten ultravioletten (UV) und Röntgenstrahlungsbereich umfasst. DOEs sind bei totaler externer Reflexion die einzigen optischen Komponenten, die zur Bündelung hochintensiver Strahlung genutzt werden können. Unter Verwendung von Fresnelzonenplatten wurde eine räumliche Energieverteilung erreicht.

Femtoslicing-Einrichtungen an den Synchrotron-Strahlungsspeicherringen sind eine von wenigen Quellen von Sub-Pikosekunden-Röntgenstrahlen, welche das gesamte Röntgenstrahlungsspektrum im Bereich der wissenschaftlichen Photonenenergie abdecken. Vor allem die deutsche Femtoslicing-Anlage BESSY ist die einzige Einrichtung, welche die Untersuchung einer ultraschnellen Dynamik mit weichen Röntgenstrahlimpulsen mit einer Pulsdauer von ca. lediglich 100 fs sowie einer variablen linearen und zirkularen Polarisation ermöglicht. Die Steigerung der Kohärenzlänge geht allerdings auf Kosten des Photonenflusses pro Puls. Um dies zu adressieren, baute und kommissionierte das Team von 3D RZP erfolgreich eine neue Art von Hochfluss-Femtoslicing-Strahllinie, welche sich als mindestens 20 Mal effizienter erwies. Die einzigartige Anordnung basierte auf der Verwendung einer Reihe von Reflexionszonenplatten (reflection zone plates, RZPs) außerhalb der Achse, die ein großes Spektrum abdecken.

Die neu entwickelten Reflexionszonenplatten wurden unter Nutzung von Freie-Elektronen-Lasern ebenfalls im Bereich der zeitaufgelösten Röntgenabsorptionsspektroskopie für biologisches Material angewandt. Das Spektrometer bestand aus bis zu 100 Reflexionszonenplatten, die sich auf einem Siliziumsubstrat befanden.

Wissenschaftler überprüften und modifizierten zudem die bestehende Mikrofabrikationstechnologie im Hinblick auf Genauigkeit, Einheitlichkeit und DOE-Reproduzierbarkeit. Es wurde erstmalig ein siliziumbasiertes Plasmaätzungspräzisionsverfahren entwickelt. Das Team arbeitete innovative Techniken aus, die auf der Anwendung einer Ionenstrahlätzung für das Profiling von DOE-Feinstrukturen mit seitlichen Perioden von bis zu lediglich 100 nm basieren.

DOEs sind essenzielle Komponenten für Untersuchungen mit Synchrotron-Lasern, Freie-Elektronen-Lasern und hochharmonischer Generatorstrahlung. Die neu entwickelten DOEs, welche hohe Energiebereiche der Röntgenphotonen bis zu 20 keV abdecken, werden bei der Gestaltung angepasster optischer Systeme behilflich sein.

Verwandte Informationen

Fachgebiete

Scientific Research

Schlüsselwörter

Chemische Reaktionen, diffraktive optische Elemente, zeitaufgelöste Spektroskopie, 3D RZP, Reflexionszonenplatten
Datensatznummer: 190553 / Zuletzt geändert am: 2016-11-18
Bereich: Industrielle Technologien
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