Diffraktive Wellenfrontkorrektur
Die hochauflösende, breitbandige Extrem-Ultraviolett- (XUV) und Weichröntgenspektroskopie im Photonenenergiebereich von 0,05 keV bis 2 keV erfordert präzise gefertigte, gekrümmte Spiegel und wellenlängendispersive diffraktive optische Elemente, wie Reflexionszonenplatten (RZPs). Preisgünstige Spiegel, typischerweise sphärischer Form, weisen jedoch Figurfehler auf, die die Wellenfront stören und die Brennlinien verwischen [1]. In Analogie zu computergenerierten Hologrammen (CGHs) berechnen wir maßgeschneiderte RZPs, deren leicht verzerrte Gitterlinien die Verformung der Spiegeloberfläche kompensieren [1,2]. Abbildung 1 veranschaulicht das Prinzip.
Abbildung 1: Der Abbildungsfehler (simuliert) eines gekrümmten Spiegels mit einer Amplitude von ± 300 nm links wird durch einen nachgeschalteten diffraktiven Wellenfrontkorrektor (DWC) rechts in einem Hettrick-Underwood-Spektrometer kompensiert. Die „welligen“ Linien sind in dieser Darstellung 5000 x vergrößert. Realistische DWC-Rillen unterscheiden sich um wenige µm von der regulären RZP-Form. Die Grafik wurde in modifizierter Form aus [2] übernommen.
Solche „diffraktiven Wellenfrontkorrektoren“ (DWCs) können mittels etablierter Elektronenstrahl- oder Laserlithographie auf planare bzw. gekrümmte Substrate geschrieben werden. Insbesondere nahe der Designenergie des DWCs kann eine nahezu beugungslimitierte Auflösung erreicht werden, wie Simulationen (Abb. 2) der Fluoreszenzspektroskopie an einer TiO2-Probe zeigen [2]. Erste experimentelle Ergebnisse liegen bereits vor [3,4].
Abbildung 2: Simulation der TiO2-Fluoreszenz (mit Bremsstrahlung) in einem selbstgebauten Spektrometer mit einem wellenfrontkorrigierten RZP auf einem sphärischen Substrat als wellenlängendispersives optisches Element. Alle Emissionslinien wurden für eine effektive Pixelgröße von 1,2 µm berechnet. Das Auflösungsvermögen E/ΔE nahe der Designenergie ist rot markiert. Die Abbildung stammt aus [2].
References
[1] C. Braig, J. Probst, E. Langlotz, I. Rahneberg, M. Kühnel, A. Erko, T. Krist, and C. Seifert, “Diffraction compensation of slope errors on strongly curved grating substrates,” Proc. SPIE 11109, 111090U (2019).
[2] J. Probst, C. Braig, E. Langlotz, I. Rahneberg, M. Kühnel, T. Zeschke, F. Siewert, T. Krist, and A. Erko, “Conception of diffractive wavefront correction for XUV and soft x-ray spectroscopy,” Appl. Opt. 59, 2580 – 2590 (2020).
[3] C. Braig, J. Probst, H. Löchel, A. Teichert, T. Krist, C. Seifert, and A. Erko†, “Table-top soft X-ray spectroscopy of TiO2 with an aberration-corrected RZP,” Poster, 11th Fachtagung Prozessnahe Röntgenanalytik (PRORA), Berlin, Germany (2022).
[4] J. Probst, H. Löchel, T. Krist, C. Braig, and C. Seifert, “Soft X-ray spectroscopy in the lab with an ellipsoidal mirror and a wavefront corrected reflection zone plate,” Proc. SPIE 12576, 125760C (2023).