Eine Linse für das extreme UV

  • 04. December 2018

Erste refraktive Linse für extrem ultraviolette Strahlen besteht aus einem Atomjet.

Wissenschaftler vom Max-Born-Institut für Nicht­lineare Optik und Kurz­zeit­spektro­skopie (MBI) haben die erste refraktive Linse entwickelt, die extrem ultra­violette Strahlen fokussiert. Anstelle von Glas­linsen, die im extrem ultra­violetten Bereich undurch­sichtig sind, haben sie eine Linse genutzt, die aus einem Jet von Atomen besteht. Hierdurch bieten sich zukünftig neue Möglich­keiten, um beispiels­weise biologische Strukturen auf kürzesten Zeit­skalen abzubilden und somit besser zu verstehen.

Abb.: Fokussierung eines XUV-Lichtstrahls durch einen Jet aus Atomen, der als Linse dient. (Bild: O. Kornilov , L. Drescher)

Abb.: Fokussierung eines XUV-Lichtstrahls durch einen Jet aus Atomen, der als Linse dient. (Bild: O. Kornilov , L. Drescher)

Mit der Entdeckung von Bereichen des elektro­magnetischen Spektrums wie der ultra­violetten und Röntgen­strahlung wurden refraktive Linsen entwickelt, die an diese spektralen Bereiche genau an­gepasst sind. Elektro­magnetische Strahlung im extrem ultra­violetten (XUV) Bereich ist jedoch speziell. Sie umfasst den Wellen­längen­bereich zwischen der UV- und Röntgen­strahlung – aber im Gegensatz zu diesen beiden Strahlungs­bereichen kann sie sich nur im Vakuum oder in stark verdünnten Gasen bewegen.

Heutzutage wird XUV-Strahlung bei der Litho­graphie für Halb­leiter genutzt wie auch in der Grund­lagen­forschung, um die Struktur und die Dynamik von Materie zu verstehen und zu kontrollieren. Sie ermöglicht Licht­pulse im Atto­sekunden­bereich – dies sind die kürzesten Licht­pulse, die derzeit erzeugbar sind. Aber trotz der großen Zahl an XUV-Quellen und -Anwendungen gab es bislang keine XUV-Linsen. Der Grund hierfür ist, dass die XUV-Strahlung stark von festem oder flüssigem Material absorbiert wird und sich somit nicht durch kon­ventionelle Linsen bewegen kann.

Um die XUV-Strahlung zu fokussieren, hat das Wissen­schaftler­team am MBI einen neuen Ansatz gewählt: Sie ersetzten eine Glaslinse mit einem Jet von Atomen aus dem Edel­gas Helium. Diese Linse profitiert von der hohen Durch­lässigkeit des Heliums im XUV-Spektral­bereich. Zur gleichen Zeit kann sie präzise kontrolliert werden, da sich die Dichte des Gases im Jet ändern lässt. Dies ist wichtig, um die Brenn­weite ein­zustellen und die Größe der fokussierten XUV-Strahlung zu minimieren.

Verglichen mit gekrümmten Spiegeln, die häufig zum Fokussieren von XUV-Strahlung genutzt werden, haben diese gas­förmigen refraktiven Linsen einige Vorteile: Eine neue Linse wird beständig durch den Fluss an Atomen im Jet gebildet, so dass Beschädigungen kein Problem darstellen. Weiter­hin geht – anders als bei einem typischen Spiegel – durch die Gas­linse kaum XUV-Strahlung verloren. „Dies ist die wichtigste Verbesserung, weil die Erzeugung von XUV-Strahlen komplex und oft sehr teuer ist“, erklärt Bernd Schütte, Wissen­schaftler am MBI und Mit­autor der Publikation. In ihrer Arbeit haben die Wissenschaftler weiterhin gezeigt, dass ein Jet von Atomen als ein Prisma dienen kann, das die XUV-Strahlung in seine Spektral­komponenten zerlegt.

Die Entwicklung von Linsen und Prismen im gas­förmigen Zustand ermöglicht den Transfer optischer Techniken, die auf Brechung beruhen, auf den XUV-Bereich. Diese Techniken haben im sicht­baren sowie Infra­rot-Bereich des elektro­magnetischen Spektrums ein breites Einsatz­gebiet. Gas­linsen könnten beispiels­weise dazu dienen, ein XUV-Mikroskop zu entwickeln oder XUV-Strahlen auf einen Punkt in Nano­meter­größe zu fokussieren. Dies könnte zukünftig dabei helfen, strukturelle Veränderungen von Bio­molekülen auf kürzesten Zeit­skalen zu beobachten.

FVB / DE

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