SC3 / EXTREME LICHTQUELLEN

Während mit Lichtmikroskopen kleinste Objekte wie Bakterien analysiert werden können, ermöglicht der Laserpuls den Zugang zur Welt kürzester Ereignisse. Heute können Prozesse von einigen Femtosekunden (10-15s) Dauer, wie z. B. chemische Reaktionen, untersucht und gesteuert werden. So wurde der Nobelpreis im Jahre 1999 für die kohärente Kontrolle chemischer Reaktionen vergeben [1]. Jedoch limitiert bisher die Wellenlänge des Laserlichts (ca. 400 bis 800 nm) die räumliche und zeitliche Auflösung, wodurch ein detaillierterer Blick in die Struktur der Materie auf atomaren Längen- (10-10m) und Zeitskalen (Attosekunden 10-18s) verwehrt bleibt.

Entsprechend müssen Lichtquellen entwickelt werden, die bei viel kürzeren Wellenlängen zwischen 100 nm und 0.1 nm arbeiten. Neue Mikroskopie- und Spektroskopietechniken zielen darauf ab, diese XUV- und Röntgenquellen zu nutzen, um Prozesse in Atomen, Molekülen und Proteinen in Echtzeit zu beobachten [2] und zu kontrollieren. Damit eröffnen sich weitreichende Möglichkeiten für Medizin, Pharmazie, Biologie, Chemie und Physik. Auch die Produktion integrierter Schaltkreise für den Einsatz in Computern oder Mobiltelefonen profitiert von diesen Entwicklungen, da ihre Herstellungsprozesse ebenso auf der Beherrschung von Licht kurzer Wellenlängen basieren [3].

Derzeit gibt es zwei wesentliche Umsetzungen für kohärente XUV und Röntgenquellen:

  • Synchrotrons und Freie Elektronen Laser (FELs) decken sowohl XUV als auch den Röntgenspektralbereich ab und werden in Großforschungseinrichtungen betrieben. Neben bereits operierenden FELs – wie FLASH bei Projektpartner DESY in Hamburg oder LCLS am Stanford Linear Accelerator (SLAC) – befinden sich mehrere dieser Quellen (XFEL, LCLS II) [4] im Bau. Die Kosten für XFEL liegen bei ca. 1,2 Mrd. Euro [5].
  • Laser-getriebene XUV- und Röntgen-Strahlquellen sind komplementär zu FELs. Sie sind zwar weniger energiereich aber erzeugen bis heute die kürzesten XUV-/Röntgenpulse mit Dauern von weniger als 100 Attosekunden. Pulsdauern im sub-Attosekundenbereich, sog. Zeptosekundenpulse (10-21 s) [6] sind denkbar [7].

Solche Pulse werden zum Beispiel benutzt um extrem schnelle Prozesse in Atomen [8], organischen Molekülen [9] und Festkörpern zu untersuchen [10]. Weshalb entscheidende Fortschritte in folgenden Themenfeldern erwartet werden [11]:

  • Grundlagenforschung: Die Beobachtung von Strukturen auf atomaren Längen- und Zeitskalen erlaubt die Untersuchung unverstandener Dynamiken in Festkörpern und Makromolekülen.
  • Medizin / Gesundheit / Pharmazie: Die chemische Funktion biologisch relevanter Komplexe basiert auf extrem schnellen Prozessen, die in Echtzeit und auf Ebene einzelner Atome untersucht und manipuliert werden können.
  • Energie: Lichtverarbeitende Komplexe, die z. B. in Zellen die Lichtenergie in chemische Energie umwandeln, können untersucht und besser verstanden werden, um neue, nachhaltige Strategien für die Energieversorgung der Welt zu entwickeln.
  • Materialwissenschaft / IT: Strukturuntersuchungen an Nanokristallen und Atomclustern helfen, deren Eigenschaften zu verstehen. Dieses Wissen ist von Bedeutung für die Nanoelektronik, Grundlage für die Weiterentwicklung der IT und Bestandteil zur Entkopplung des Anstiegs des Energiebedarfs des Internets einerseits und seines Datenvolumens andererseits.

Zentrale Herausforderungen in diesem Science Case sind Design, Entwicklung und Herstellung optischer Komponenten, die den extremen Anforderungen (Gewährleistung von Polarisation, Pulsform, Spektrum, räumlichem Profil) für den XUV- und Röntgenspektralbereich gewachsen sind. Dies ist insbesondere für lasergetriebene Quellen im Labormaßstab der Fall, bei denen in den nächsten Jahren signifikante Entwicklungen erwartet werden. Darüber hinaus sollen Freiformoptiken aus Hochleistungsmaterialien in extremer Genauigkeit gefertigt und mit Polier-, Nanostruktur- und Beschichtungstechnologien funktionalisiert werden.

Spiegel einer XUV-Kollektoroptik. Spiegel für extreme Wellenlängen sind essentiell für neue Strahlquellen und bedürfen exzellenter Technologien.
Spiegel einer XUV-Kollektoroptik. Spiegel für extreme Wellenlängen sind essentiell für neue Strahlquellen und bedürfen exzellenter Technologien.

Ein wichtiger Spektralbereich für biologische Anwendungen ist hierbei das Wasserfenster zwischen 2 und 4 nm. Spiegel erreichen hier derzeit eine Reflektivität von 14 %-25 %, was etwa einem Drittel der theoretisch maximal möglichen entspricht [12]. Hier muss eine deutliche Steigerung erreicht werden, da die Vielzahl der Optiken den Verlust potenziert. Zukünftige Systeme können allein durch bessere Optiken mindestens eine Größenordnung effizienter sein.


ENABLER: FUNKTIONALISIERTE FREIFORMSCHICHTEN

Die Manipulation von sichtbarem und infrarotem Licht ist in den letzten Jahrzehnten perfektioniert worden. Maßgeschneiderte Eigenschaften wie Bandbreite, Pulsdauer, Intensität und Polarisationszustand erlauben es, ultra-kurze Laserpulse mit beliebiger Pulsform gezielt zu verändern. Nur so können z. B. chemische Reaktionen [1] gezielt gesteuert und Attosekundenpulse erzeugt werden [13].

Diese Qualität und Flexibilität muss auch im XUV- und im Röntgenspektralbereich erreicht werden. Insbesondere müssen folgende Herausforderungen adressiert werden:

  • Die spektrale Bandbreite und Wellenlänge ist entscheidend für spektroskopische Untersuchungen hoher Auflösung und für Mikroskopie.
  • Um Prozesse auf atomaren Zeitskalen verstehen zu können, sind Pulse bis in den Zeptosekundenbereich notwendig. Entsprechende Optiken müssen den Stand der Technik um Größenordnungen erweitern [6].
  • Für Untersuchungen mit höchster Auflösung muss das XUV- oder Röntgenlicht auch räumlich genau kontrolliert und manipuliert werden.

Optiken für den im XUV- und Röntgenbereich sind sehr herausfordernd und können weitestgehend nur reflektiv umgesetzt werden. Häufig muss dabei ein flacher Einfallswinkel verwendet werden, der eine große Optikoberfläche erfordert. Die kurze Wellenlänge stellt enorme Anforderungen an Genauigkeit der Oberflächenform und Rauheit, sodass die Bearbeitung und Charakterisierung der Optiken ausgesprochen anspruchsvoll ist. Beispielsweise benötigt man eine Oberflächengenauigkeit von weniger als 1 nm, um Attosekundenpulse ohne Verzerrung zu reflektieren.

Spiegel einer XUV-Kollektoroptik. Spiegel für extreme Wellenlängen sind essentiell für neue Strahlquellen und bedürfen exzellenter Technologien.
Vom HIJ umgesetztes Hochleistungs-Röntgenpolarimeter für XFEL.
Tabelle
Tab. 1: Technische Parameter für Optiken in kohärenten Röntgenquellen.

WISS.-TECHNOLOGISCHE UMSETZUNG

Optiken für extreme Lichtquellen benötigen Substrate mit höchster Formtreue und geringster Rauheit. Um eine große Anwendungsvielfalt zu ermöglichen, sind insbesondere Freiformen für große geometrische Ausmaße von herausragender Bedeutung. Die Optiken müssen durch Poliertechniken äußerst hochwertig geglättet werden. Eine zusätzliche Funktionalisierung der Oberfläche durch Beschichtung oder Nanostrukturierung erweitert das Funktionsspektrum.

Zentrale technische Herausforderungen sind deshalb:

  • Freiformerzeugung sowie Politurtechniken auf gekrümmten Oberflächen für kurze Wellenlängen mit geringer Rauheit und hoher Formgenauigkeit,
  • Verfahren zur hochgenauen Beschichtung (z. B. durch Atomlagenabscheidung) speziell auch von Freiformoberflächen,
  • Anwendung optischer Nanostrukturen bei kürzesten Wellenlängen,
  • hochauflösende Charakterisierungstechnologien für Nanostrukturen (Rasterelektronenmikroskopie, Atomic-Force-Mikroskopie, Streulichtcharakterisierung) auf großen Substraten/ Freiformen.

Zur Entwicklung und Etablierung der notwendigen Technologien verfügt der Antragsteller über ausgewiesene Expertise, die u. a. durch die Bearbeitung zahlreicher Projekte im Bereich optischer Schichten, Nanostrukturierung oder auch Oberflächencharakterisierung gegeben ist. Die wesentlichen Anlagen und Technologien für die avisierte Weiterentwicklung der Technologieketten werden in Zusammenarbeit mit Anwendern und Industriepartnern weiterentwickelt.


INVESTITIONSBEDARFE

Tabelle

WICHTIGE PROJEKTE DER NPL-PARTNER MIT BEZUG ZUM SCIENCE CASE

  • Fluorid-Beschichtung von ebenen Beamline-Spiegeln für BESSY II bei Helmholtz-Zentrum Berlin.
  • Multilayer-Zylinderspiegel für 2,3 bis 9,5 keV für BESSY II bei Helmholtz-Zentrum Berlin.
  • Pt, Au und C Beschichtung für Beamline-Gittermonochromator für BESSY II bei Helmholtz-Zentrum Berlin.
  • Beamline-Spiegel für 10 … 100 nm für Broadband Beamline bei Paul Scherrer Institut (PSI).
  • Z-Spiegel Kombination für 13,5 nm für EUV-Kamera bei Xtreme technologies GbmH.
  • EUV-Schwarzschild-Objektiv für 13,5 nm für EUV-Mikroskop bei Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT).
  • EUV-Schwarzschild-Objektiv für 13,5 nm für FLASH bei Deutsches Elektronensynchrotron (DESY) in Zusammenarbeit mit RheinAhrCampus Remagen.
  • Refokussierspiegel für 107, 186 und 288 eV für FLASH bei Deutsches Elektronensynchrotron (DESY).
  • Fokussierspiegel für 13,9 und 18,9 nm für Fokussierung von Röntgenlaserstrahlung bei Queen's University Belfast.
  • Fokussierspiegel für 18,9 nm für Fokussierung von Röntgenlaserstrahlung bei Max-Born-Institut (MBI).
  • Z-Spiegel Kombination für 9, 10, 13 und 30 nm für High Harmonics Beamline bei ARC Centre of Excellence for Coherent X-Ray Science, Swinburne University of Technology.
  • Z-Spiegel Kombination für 92 eV für High Harmonics Beamline bei Deutsches Elektronensynchrotron (DESY).
  • Z-Spiegel Kombination für 10,9 / 17,3 / 19,3 und 24,3 nm für High Harmonics Beamline bei Forschungszentrum Jülich.
  • Z-Spiegel Kombination für 13 und 30 nm für High Harmonics Beamline bei Institute national de la recherche scientifique (INRS).
  • Z-Spiegel Kombination für 52.6 nm für High Harmonics Beamline bei University of Southampton.
  • Z-Spiegel Kombination für 52.6 nm für High Harmonics Beamline bei University of Southampton.
  • Z-Spiegel Kombination für 13,7 nm für High Harmonics Beamline bei Rutherford Appleton Laboratory.
  • Z-Spiegel Kombination für 30 nm für High Harmonics Beamline bei The University of Manchester.
  • Z-Spiegel Kombination für 90, 120, 150 und 288 eV für High Harmonics Beamline bei Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI).
  • EUV-Schwarzschild-Objektiv für 13,5 nm für Kollektor-Optik für LPP-Quelle bei Laserlaboratorium Göttingen.
  • Refurbishment von EUV-Kollektorspiegeln für LPP-Quelle für EUV-Lithographie-Tool NXE:3100 bei ASML.
  • Beschichtung von EUV-Kollektorspiegeln für LPP-Quelle für EUV-Lithographie-Tool NXE:3100 bei ASML.
  • EUV-Kollektorspiegel für 13,5 nm für LPP-Quelle für Metrology-Anwendungen bei Eidgenössische Technische Hochschule (ETH).
  • Kollektorspiegel für das Wasserfenster für 2,478 nm für LPP-Quelle für Wasserfenster-Mikroskope bei Royal Institute of Technology in Stockholm (KTH) in Zusammenarbeit mit Max-Born-Institut (MBI).
  • Beam Splitter Grating for XUV-Interferometer für National Synchrotron Radiation Laboratory (NSRL) bei University of Science and Technology of China (http://en.nsrl.ustc.edu.cn/).
  • EUV-Schwarzschild-Objektiv für 13,5 nm für Reflektometer für Wolter-Teleskope bei Laserzentrum Hannover (LZH).
  • Beschichtung von ebenen und sphärischen Spiegeln für 13,5 nm für SHARP-Microscope Facility bei Center for X-Ray Optics (CXRO).

REFERENZEN

[1] A. H. Zewail. Femtochemistry. past, present, and future. Pure Appl. Chem., 72:2219 (2000).

[2] J. Kirz. Free-electron lasers: Flash microscopy. Nat. Phys., 2:799 (2006).

[3] C. Wagner and N. Harned. Euv lithography: Lithography gets extreme. Nat. Photonics, 4:24 (2010).

[4] Lightsources of the world.

[5] European X-Ray Free-Electron Laser Facility. Xfel in kürze.

[6] C. Hernández-Garcá, J. A. Pérez-Hernández, T. Popmintchev et al. Zeptosecond high harmonic kev x-ray waveforms driven by midinfrared laser pulses. Phys. Rev. Lett., 111:033002 (2013). doi: 10.1103/PhysRevLett.111.033002.

[7] Eli attosecond.

[8] M. Drescher, M. Hentschel, R. Kienberger et al. Time-resolved atomic inner-shell spectroscopy. Nature, 419:803 (2002).

[9] F. Calegari, D. Ayuso, A. Trabattoni et al. Ultrafast electron dynamics in phenylalanine initiated by attosecond pulses. Science, 346:336 (2014). doi: 10.1126/science.1254061.

[10] A. L. Cavalieri, N. Müller, T. Uphues et al. Attosecond spectroscopy in condensed matter. Nature, 449:1029 (2007).

[11] G. A. Mourou, G. Korn, W. Sandner et al., eds. Extreme Light Infrastructure Whitebook - Science and Technology with Ultra-Intense Lasers. THOSS Media GmbH (2011).

[12] S. Yulin, V. Nesterenko, T. Feigl et al. Collector optics for the "Water Window". In 10th Int. Conf. on the Physics of X-Ray Multilayer Structures (2010).

[13] F. Krausz and M. Ivanov. Attosecond physics. Rev. Mod. Phys., 81:163 (2009). doi: 10.1103/RevModPhys.81.163.

[14] A. Guggenmos, M. Jobst, M. Ossiander et al. Chromium/scandium multilayer mirrors for isolated attosecond pulses at 145ev. Opt. Lett., 40:2846 (2015). doi: 10.1364/OL.40.002846.

Attosekunden
Attosekunden

ANWENDER

- lasergetriebene EUV und Röntgenquellen sowie Attosekundensysteme
- Freie Elektronen Laser
- Synchrotrons

WISSENSCHAFTSFELDER

- Medizin / Gesundheit / Pharmazie
- Energie
- Materialwissenschaft / IT
- Grundlagenphysik

ENABLER

- strukturierte Freiformschichten höchster Güte

For shorter XUV wavelengths the increase of the supported bandwidth main-taining sufficiently high reflectance is a current technological challenge.

(ELI Whitebook)

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