Forschung & Entwicklung

Linse für extrem ultraviolettes Licht

Eine refraktive Linse, die aus einem Jet von Atomen besteht, fokussiert extrem ultraviolette Strahlen. Hierdurch bieten sich zukünftig neue Möglichkeiten, um beispielsweise biologische Strukturen auf kürzesten Zeitskalen abzubilden und somit besser zu verstehen.

Mit der Entdeckung neuer Bereiche des elektromagnetischen Spektrums wie der ultravioletten (UV) Strahlung 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 Lithografie 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. Aber trotz der großen Zahl an XUV-Quellen und -Anwendungen gab es bislang keine XUV-Linsen, da die XUV-Strahlung stark von festem oder flüssigem Material absorbiert wird und sie sich somit nicht durch konventionelle Linsen bewegen kann.

Um die XUV-Strahlung zu fokussieren, hat ein Wissenschaftlerteam am Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (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 die Dichte des Gases im Jet geändert werden kann. 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, sodass 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 Dr. Bernd Schütte, Wissenschaftler am MBI.

Die Wissenschaftler haben weiterhin gezeigt, dass ein Jet von Atomen als ein Prisma dienen kann, das die XUV-Strahlung in seine Spektralkomponenten zerlegt. Dies ist vergleichbar mit einem Regenbogen, bei dem Wassertropfen das Sonnenlicht in seine Spektralfarben brechen – nur sind die ‚Farben‘ der XUV-Strahlung für das menschliche Auge nicht sichtbar.

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 Infrarotbereich 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.

von mn

Originalveröffentlichung:

[L. Drescher, O. Kornilov, T. Witting, G. Reitsma, N. Monserud, A. Rouzée, J. Mikosch, M. Vrakking, B. Schütte, Extreme-ultraviolet refractive optics, Nature (2018), DOI: 10.1038/s41586-018-0737-3]

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