Towards ultrafast imaging with extreme ultraviolet light sources

Popular Abstract in Swedish Denna avhandling rapporterar om karakterisering och tillmpningar av extrem ultraviolett (XUV) stralning som genererats av overtonsgenerering samt i en frielektronlaser. Overtonsgenerering ar en process som uppstar nar en kraftfull kortvarig laserpuls fokuseras i ett gasmedium. De laserpulser som anvands ar bara nagra femtosekunder (10−15s) langa och har en vaglangd i det infraroda omradet. Genom vaxelverkan mellan laserpulsen och gasatomerna kommer ljus med en hogre frekvens (overtoner) att genereras. De genererade pulserna har en kort vaglangd som nar in i det ultravioletta omradet. En viktig egenskap hos de genererade pulserna ar deras hoga grad av koherens, vilket innebar att vagtoppar hos det utsanda ljusvagorna har ett konstant forhallande till varandra i tid och rum. Koherenta ljuspulser kan anvandas for holografisk avbildning. Till skillnad fran normal fotografering, som bara registrerar intensiteten av ljuset, fangar holografi bade intensiteten och fasen av en ljusvag i form av ett interferensmonster. Den registrerade fasinformationen kan anvandas for att skapa en tredimensionell avbildning av objektet. I denna avhandling presenteras en experimentuppstallning 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 aven avstandet ljuset har fardats genom provet (om provmaterialet ar kant). Pagrund av den hoga fotonenergin hos extremt ultraviolett ljus kan dessa ljuspulser aven anvandas for att frigora elektroner i ett fast material genom fotoemission. De fria elektronerna rekombinerar mycket snabbt med atomerna i omgivningen, vilket gor det svart att registrera dem. Ett experiment presenteras som syftar till att mata frigorandet av elektroner i en diamantkristall med en extrem ultraviolett ljuspuls, och bestamma hur snabbt de rekombinerar med omgivande atomer. Detta gors genom att overlappa tva XUV pulser, sa att deras interferensmonster ger upphov till ett linjemonster av fria elektroner som, likt ett gitter, anvands for att boja av en tredje infrarod ljuspuls. Genom att variera tidsfordrojningen mellan bildandet av linjemonstret och den infraroda ljuspulsen, kan den tidsmassiga utvecklingen av de fria elektronerna och deras rekombination matas. Preliminara experiment visar att en sadan matning ar mojlig med var metod. De frigjorda elektronerna kan ocksa avbildas direkt, med ett fotoemissions elektronmikroskop (PEEM). Ett sadant mikroskop fangar upp elektroner som frigjorts fran ytan av ett prov, och avbildar deras rumsliga fordelning pa en detektor. Ett sadant instrument anvander elektronlinser, som bestar av magneter, for att fokusera och avbilda elektroner. I avhandlingen visas att det ar mojligt att utnyttja dessa mycket korta XUV pulser for att uppna saval tids- som rumsupplosning med ett PEEM. Den andra typen av ljuskalla som beskrivs i avhandlingen ar en frielektronlaser (FEL). En frielektronlaser fungerar genom att accelerera en kort puls av elektroner och lata dessa passera genom en periodisk magnetstruktur som kallas undulator. I undulatorn avger elektronerna ljus nar de avbojs i det periodiska magnetfaltet. Detta ljus kan vara av extrem ultraviolett vaglangd, men kan aven na upp i rontgenomradet. Under vissa omstandigheter kan det utsanda ljuset fa laserkaraktar, dvs vara koherent. Ett satt att uppna detta ar att lata elektronpulsen vaxelverka med en laserpuls, vilket kallas seeded (sadd) FEL. En seeded FEL bestar av tva undulatorer. I den forsta undulatorn moduleras elektronernas energi av laserpulsen vilket gor det mojligt att samla dem i grupper med ett grupp-till-grupp avstand motsvarande laserns vag langd. I den andra undulatorn sander dessa elektronengrupper ut koherent ljus som ar overtoner till det ursprungliga laserljuset. I avhandlingen har koherens och polarisering av ljuset fran en seeded FEL uppmatts. For att uppna kortare vaglangder fran frielektronlasern har aven mojligheten att anvanda harmoniska overtoner for lasern studerats. (Less)