Physik im Gebiet des extremen UV (XUV, EUV) und im Röntgenbereich (Piko- und Femtosekunden- Laserplasmaquellen)

Laserplasmen sind nicht nur im Rahmen der Grundlagenforschung interessant, sondern stellen auch interessante und einzigartige Quellen für Röntgenstrahlung dar. Speziell mit ultrakurzen Laserpulsen erzeugte Plasmen eröffnen die Möglichkeit, ultrakurze Röntgenblitze (ca. 0,1 ps bis wenige ps) zu erzeugen und Röntgenpulsleistungen im Mega- oder Gigawattbereich zu erzielen.

Die Bedeutung der Plasmen im Hinblick auf Anwendungen wird in Zukunft auch in ihrer Nutzung als kompakte und effektive Röntgenquellen liegen (z.B. für die Röntgenmikroskopie an biologischen Objekten im sogenannten Wasserfenster).

Aktuell haben lasererzeugte Plasmen eine hohe Bedeutung in der industriellen Produktion von Hochleistungschips für die Halbleiterindustrie. Die Forderung nach immer kleineren, effizienteren, schnelleren und günstigeren integrierten Schaltkreisen und damit verbunden nach immer kleineren Strukturgrößen, führte zur Einführung der EUV-Lithografie. Diese Ihrerseits erfordert leistungsfähige Strahlungsquellen im XUV (bzw. EUV), welche oftmals durch lasererzeugte Plasmen realisiert sind (industrielle Anwendung).

Insgesamt stellen die genannten (und andere) Anwendungen z.T. ganz verschiedene Anforderungen an die Quelle (z.B. hohe Röntgenausbeute, bestimmter spektraler Bereich, kleine spektrale Breite, kleine Quellgröße, kurze Röntgenpulsdauer o.ä.m.), so daß zunächst eine generelle Charakterisierung der Plasmen und ihrer Strahlung notwendig ist. Die Optimierung der Röntgenemission im Hinblick auf ihre spezielle Anwendung erfordert dann neben einer guten Einkopplung der Laserenergie in das Plasma eine kontrollierte Konversion in Röntgenpulse. Der Einfluß der verschiedenen experimentellen Parameter (z.B. Laserenergie, -intensität, -pulsdauer, -wellenlänge, sowie Einfallswinkel und Polarisation; Vorpulse) auf die Röntgenemission wurde und wird bei verschiedenen Randbedingungen untersucht. Speziell ergaben Absolutmessungen der spektralen Brillianz, daß bis zu 5 % der gesamten Energie eines auf die Targetoberfläche auftreffenden Femtosekundenlaserpulses in den gesamten Spektralbereich des Wasserfensters konvertiert werden können. Dabei können in eine einzelne Linie (z.B. der Kohlenstoff Lyman-alpha-Linie bei 3,4 nm) mehr als 1011 Photonen pro Steradian und Puls erzeugt werden.

 

 

Abbildung 1: Spektren von Kohlenstoffplasmen, welche mit einem 700 fs Laserpuls bei zwei verschiedenen Laserwellenlängen (248 nm und 800 nm) erzeugt wurden.
Die Intensität betrug 1.3 x 1016 W/cm2.

Abbildung 2: Vergleich der Brillianz von Laserplasmaquellen mit anderen Röntgenquellen.

Es zeigt sich, daß die Leistung eines Röntgenblitzes eines fs-Laserplasmas sehr hoch sein kann (blauer Stern entspricht oben gezeigten Spektren). So kann z.B. die Spitzenbrillianz eines im sogenannten "Wasserfenster" (2,3-4,4 nm) optimierten fs-Laserplasmas sogar diejenige eines modernen Synchrotrons der 3.Generation (wie z.B. Bessy II oder ESRF) deutlich übertreffen (roter Punkt; die Werte der Synchrotronbrillianzen sind der Veröffentlichung von [J. Feldhaus, et al., Opt. Comm. 140, 341 (1997)] entnommen).

Femtosekunden-K-alpha-Röntgenquellen

Von spezieller Bedeutung ist die Erzeugung von K-alpha-Röntgenpulsen mit sehr kurzer Pulsdauer. Derartige Pulse erlauben es Röntgenbeugungsexperimente mit sehr hoher Zeitauflösung durchzuführen. Dadurch kann z.B. die Strukturänderung bei extrem schnell verlaufenden Schmelzvorgängen (nicht-thermisches Schmelzen) oder anderen Phasenübergängen auf einer Skala von wenigen hundert Femtosekunden untersucht werden (Aufklärung ultraschneller Strukturänderungen und transienter Strukturen in Festkörpern).

Abbildung 3: Aufbau eines Experimentes zur Untersuchung von Femtosekunden-Röntgenblitzen (Kooperation mit Universität Jena und CNR Pisa, Italien, 2008/2009).

Die hohe Bedeutung solcher Untersuchungen, sowohl im Bereich der Grundlagenforschung als auch für Anwendungen führte zur Förderung dieses Themenkomplexes durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG). Im Rahmen dieses Progammes wurden Untersuchungen zur Optimierung von Femtosekunden-K-Alpha-Röntgenquellen durchgeführt (Projekt von P. Gibbon und U. Teubner; in Kooperation mit den Universitäten Duisburg-Essen und Jena). Aktuell werden die Untersuchungen u.a. in Zusammenarbeit mit dem CNR in Pisa, Italien, fortgeführt.

Abbildung 4: Typischer Aufbau zur Untersuchung ultraschneller Strukturänderung mittels einer Femtosekundenlaserplasma-K-Alpha-Quelle (time resolved x-ray diffraction).

Abbildung 5: Signal eines Femtosekunden-K-Alpha-Blitzes.

Zur Untersuchung der Plasmaemission stehen verschiedene Diagnostiken zur Verfügung. Hierzu gehören verschiedene Röntgen- und XUV-/EUV-Spiegel, sowie hocheffiziente Spektrometer (Eigenentwicklungen), welche über einen großen Spektralbereich eingesetzt werden können (sichtbar; UV; XUV; Röntgengebiet).

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