Towards ultrafast imaging with extreme ultraviolet light sources

Abstract

This thesis reports experimental studies performed with two advanced coherent XUV sources with ultrashort pulse duration, high-order harmonic generation and seeded-free electron laser. High-order harmonic generation (HHG) is the generation of overtones of a fundamental laser pulse in a medium, e.g. noble gases. The emitted radiation has a high degree of transverse coherence, and pulse lengths in the attosecond regime can be achieved. We have applied the pulses to digital in-line holography, where we demonstrated imaging of micrometer-sized objects with single XUV pulses, and the reconstruction of the phase shifting properties of thin layers of material. A method to produce thin layers of arbitrary shape and thickness, on top of ultra-thin membranes, is presented.



In another experiment, we used HHG pulses to eject electrons from a sample, to be imaged with a PEEM microscope. The experiment aims at combining the short temporal duration achievable with high-order harmonic generation, to the high spatial resolution of PEEM, in order to image electron density variations on prepared surfaces.



A further experiment is proposed to use the XUV pulses from the HHG source to study the charge-carrier recombination processes in a wide-bandgap semiconductor. The short duration and high intensity of the XUV pulse allows us to create a transient phase grating and to probe the induced refractive index change at a variable time delay.



Finally, we have also studied the feasibility to use HHG pulses as a seed laser for a seeded free-electron laser, by investigating the energy and pointing stability of the source. These studies are a preparation to implement an HHG setup at an existing seeded free-electron laser setup. The characterization of the emission of the seeded FEL is also presented. Here the coherence was tested in a double-slit experiment, and the polarization was determined with a linear polarizer.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Denna avhandling rapporterar om karakterisering och tillmpningar av extrem ultraviolett (XUV) strålning som genererats av

övertonsgenerering samt i en frielektronlaser.



Övertonsgenerering är en process som uppstår när en kraftfull kortvarig laserpuls fokuseras i ett gasmedium. De laserpulser som används är bara några femtosekunder (10−15s) långa och har en våglängd i det infraröda området. Genom växelverkan mellan laserpulsen och gasatomerna kommer ljus med en högre frekvens (övertoner) att genereras. De genererade pulserna har en kort våglängd som når in i det ultravioletta området. En viktig egenskap hos de genererade pulserna är deras höga grad av koherens, vilket innebär att vågtoppar hos det utsända ljusvågorna har ett konstant förhållande till varandra i tid och rum. Koherenta ljuspulser kan användas för holografisk avbildning. Till skillnad från normal fotografering, som bara registrerar intensiteten av ljuset, fångar holografi både intensiteten och fasen av en ljusvåg i form av ett interferensmönster. Den registrerade fasinformationen kan användas för att skapa en tredimensionell avbildning av objektet.



I denna avhandling presenteras en experimentuppställning som kan registrera holografiska bilder av mikrometer stora prover och skapa en mikroskopisk bild av provet med en enda kort ljuspuls. Den holografiska bilden ger information om provets absorption av ljus, och även avståndet ljuset har färdats genom provet (om provmaterialet är känt).



Pågrund av den höga fotonenergin hos extremt ultraviolett ljus kan dessa ljuspulser även användas för att frigöra elektroner i ett fast material genom fotoemission. De fria elektronerna rekombinerar mycket snabbt med atomerna i omgivningen, vilket gör det

svårt att registrera dem. Ett experiment presenteras som syftar till att mäta frigörandet av elektroner i en diamantkristall med en extrem ultraviolett ljuspuls, och bestämma hur snabbt de rekombinerar med omgivande atomer. Detta görs genom att överlappa

två XUV pulser, så att deras interferensmönster ger upphov till ett linjemönster av fria elektroner som, likt ett gitter, används för att böja av en tredje infraröd ljuspuls. Genom att variera tidsfördröjningen mellan bildandet av linjemönstret och den infraröda ljuspulsen, kan den tidsmässiga utvecklingen av de fria elektronerna och deras rekombination mätas. Preliminära experiment visar att en sådan mätning är möjlig med vår metod. De frigjorda elektronerna kan också avbildas direkt, med ett fotoemissions elektronmikroskop (PEEM). Ett sådant mikroskop fångar upp elektroner som frigjorts från ytan av ett prov, och avbildar deras rumsliga fördelning på en detektor. Ett sådant instrument använder elektronlinser, som består av magneter, för att fokusera och avbilda elektroner. I avhandlingen visas att det är möjligt att utnyttja dessa mycket korta XUV pulser för att uppnå såväl tids- som rumsupplösning med ett PEEM.



Den andra typen av ljuskälla som beskrivs i avhandlingen är en frielektronlaser (FEL). En frielektronlaser fungerar genom att accelerera en kort puls av elektroner och låta dessa passera genom en periodisk magnetstruktur som kallas undulator. I undulatorn avger elektronerna ljus när de avböjs i det periodiska magnetfältet. Detta ljus kan vara av extrem ultraviolett våglängd, men kan även nå upp i röntgenområdet. Under vissa omständigheter kan det utsända ljuset få laserkaraktär, dvs vara koherent. Ett sätt att uppnå detta är att låta elektronpulsen växelverka med en laserpuls, vilket kallas seeded (sådd) FEL. En seeded FEL består av två undulatorer. I den första undulatorn moduleras elektronernas energi av laserpulsen vilket gör det möjligt att samla dem i grupper med ett grupp-till-grupp avstånd motsvarande laserns våg längd. I den andra undulatorn sänder dessa elektronengrupper ut koherent ljus som är övertoner till det ursprungliga laserljuset. I avhandlingen har koherens och polarisering av ljuset från en seeded FEL uppmätts. För att uppnå kortare våglängder från frielektronlasern har även möjligheten att använda harmoniska övertoner för lasern studerats.

• author: Schwenke, Jörg
• supervisor: Ralf Nyholm
• opponent: Attwood, David, University of California at Berkeley, Berkeley, USA
• organization: MAX IV Laboratory; Department of Synchrotron Radiation Instrumentation-lup-obsolete (research group); NanoLund: Centre for Nanoscience
• publishing date: 2012
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Natural Sciences; Physical Sciences
• keywords: Photo emission electron microscopy, Focusing of X-ray radiation, Digital holography, High-order harmonic generation, Free-electron laser seeding, Secondary electron cascades, Fysicumarkivet A:2012:Schwenke
• pages: 171 pages
• defense location: Department of Physics, Lecture Hall B, Professorsgatan 1, Lund
• defense date: 2012-01-27 10:15:00
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 0df21c93-beba-4c5c-aa3a-f13008a264dc (old id 2278111)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:21:37
• date last changed: 2018-11-21 23:30:08