Samenvatting - Vrije Universiteit Amsterdam dutch.pdf · Samenvatting Achtergrond en motivatie De...

13
VU Research Portal Wavelength-resolved Extreme Ultraviolet Lensless Imaging and Metrology Jansen, G.S.M. 2020 document version Publisher's PDF, also known as Version of record Link to publication in VU Research Portal citation for published version (APA) Jansen, G. S. M. (2020). Wavelength-resolved Extreme Ultraviolet Lensless Imaging and Metrology. General rights Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain • You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal ? Take down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim. E-mail address: [email protected] Download date: 23. May. 2021

Transcript of Samenvatting - Vrije Universiteit Amsterdam dutch.pdf · Samenvatting Achtergrond en motivatie De...

Page 1: Samenvatting - Vrije Universiteit Amsterdam dutch.pdf · Samenvatting Achtergrond en motivatie De titel van dit proefschrift kan vertaald worden als lens-vrije, spectraal opgeloste

VU Research Portal

Wavelength-resolved Extreme Ultraviolet Lensless Imaging and Metrology

Jansen, G.S.M.

2020

document versionPublisher's PDF, also known as Version of record

Link to publication in VU Research Portal

citation for published version (APA)Jansen, G. S. M. (2020). Wavelength-resolved Extreme Ultraviolet Lensless Imaging and Metrology.

General rightsCopyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright ownersand it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights.

• Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain • You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal ?

Take down policyIf you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediatelyand investigate your claim.

E-mail address:[email protected]

Download date: 23. May. 2021

Page 2: Samenvatting - Vrije Universiteit Amsterdam dutch.pdf · Samenvatting Achtergrond en motivatie De titel van dit proefschrift kan vertaald worden als lens-vrije, spectraal opgeloste

Samenvatting

Achtergrond en motivatieDe titel van dit proefschrift kan vertaald worden als lens-vrije, spectraalopgeloste microscopie en metrologie met extreem ultraviolet licht. Hetgaat hier om de ontwikkeling van een microscopietechniek met speci-fieke eigenschappen die andere microscopietechnieken niet hebben.

De microscoop is al eeuwenlang een van de belangrijkste onder-zoeksmiddelen in de wetenschap. Een bekend voorbeeld is het werkvan Antonie van Leeuwenhoek, die met behulp van zijn eigen handge-maakte microscopen allerlei biologische cellen bestudeerde. Sindsdienheeft de microscoop een gigantische ontwikkeling doorgemaakt. Tegen-woordig bestaan er talloze microscoop-soorten die allemaal geoptimali-seerd zijn voor verschillende situaties. Een belangrijke drijfveer voor deontwikkeling van nieuwe, betere microscopietechnieken is de zoektochtnaar hogere resolutie om zo kleinere details te kunnen waarnemen. Inoptische microscopen hangt de resolutie af van de kwaliteit van hetlenzensysteem in combinatie met de golflengte (oftewel kleur) van hetlicht dat gebruikt wordt. Volgens de diffractielimiet van Ernst Abbe(vergelijking 1.1 op pagina 1) kan de resolutie van een optische micro-scoop niet beter zijn dan de helft van de golflengte. Voor zichtbaarlicht komt dit neer op een resolutielimiet van ongeveer 200 nanometer.

Voor veel toepassingen is deze resolutie is goed genoeg. Het isbijvoorbeeld mogelijk om de individuele bestanddelen van biologischecellen te bestuderen. Toch zijn er veel toepassingen die een hogereresolutie vragen, zoals bijvoorbeeld onderzoek naar virussen (100 na-nometer) en DNA (2 nanometer). Een ander goed voorbeeld is de kwa-liteitscontrole van transistors in de moderne elektronica. De kleinstetransistoren in moderne telefoon- en computerprocessoren zijn tegen-woordig slechts 10 nanometer groot, en kleinere transistoren wordencontinu ontwikkeld. Om de productie van dergelijke processoren te

163

Page 3: Samenvatting - Vrije Universiteit Amsterdam dutch.pdf · Samenvatting Achtergrond en motivatie De titel van dit proefschrift kan vertaald worden als lens-vrije, spectraal opgeloste

Samenvatting

kunnen controleren is microscopie een belangrijk middel.Er bestaan verschillende microscopietechnieken die een hogere re-

solutie behalen, zoals elektronenmicroscopie, ’scanning tunneling’ mi-croscopie en fluorescentiemicroscopie. Toch blijft de techniek achtermicroscopie een actief wetenschappelijk vakgebied en worden er nogsteeds nieuwe technieken ontwikkeld. Dit heeft ermee te maken dateen microscopietechniek normaal gesproken ontwikkeld wordt voor eenspecifieke toepassing. Met scanning tunneling microscopie is het bij-voorbeeld mogelijk individuele atomen waar te nemen met een resolutievan 0.1 nanometer, maar het is niet mogelijk om verder dan één atoomdiep te kijken onder het oppervlakte.

In het kader van microscopie met een resolutie in de orde van nano-meters is extreem ultraviolet (EUV) licht interessant. EUV, wat metgolflengtes tussen 10 en 124 nanometer tussen ultraviolet en röntgen-straling valt, is goed geschikt voor microscopie met hoge resolutie.Daarnaast is EUV erg gevoelig is voor de elementaire samenstelling vanhet materiaal waar naar gekeken wordt. Het is ook mogelijk om doordunne lagen metaal heen te kijken. Er zijn echter een aantal crucialeverschillen tussen zichtbaar licht en EUV die de ontwikkeling van EUV-microscopie bemoeilijken. Van deze complicaties is het gebrek aantraditionele lenzen waarschijnlijk het belangrijkst. Een veelgebruiktemethode om dit probleem te omzeilen is coherent diffractive imaging(CDI), een lens-vrije techniek waarbij de lenzen vervangen worden doordata-analyse op de computer.

Dichtbij Ver weg

Figuur 1: Berekening van de diffractie van monochromatisch, coherentlicht. In dit geval belicht een homogene bundel een scherm met daarineen een opening in de vorm van een ARCNL-logo. De plaatjes latenhet verwachte bundelprofiel zien van direct na de opening links tot verweg rechts.

164

Page 4: Samenvatting - Vrije Universiteit Amsterdam dutch.pdf · Samenvatting Achtergrond en motivatie De titel van dit proefschrift kan vertaald worden als lens-vrije, spectraal opgeloste

CDI is gebaseerd op de wetenschap over hoe een lichtgolf zich voort-plant. Hieruit volgt namelijk dat, als het profiel van een lichtbundel opeen bepaald punt volledig bekend is, het mogelijk is het bundelprofielop een andere plek (eerder of later) te berekenen. In het voorbeeld vanfiguur 1 kan het bundelprofiel ver weg van de opening gebruikt wordenom het bundelprofiel direct na de opening te berekenen. Hiervoor ishet wel noodzakelijk om de amplitude en de fase te kennen, terwijlcamera’s alleen de intensiteit en dus amplitude meten. De data-analysein CDI is erop gericht om de fase te reconstrueren op basis van deamplitudemeting en andere informatie die bekend is over de bundel.

Een voorwaarde voor CDI en correcte fasereconstructie is mono-chromatische, coherente belichting. Als de lichtbundel bijvoorbeeldmeerdere golflengtes bevat, dan detecteert de camera de som van desterk golflengte-afhankelijke diffractiepatronen. Zoals in figuur 3.4 tezien is, kan dit de fijne details van een diffractiepatroon vervagen,waardoor fasereconstructie onmogelijk is.

Hogere harmonische generatieEen interessante lichtbron voor EUV is hogere harmonische generatie(HHG). In tegenstelling tot andere bronnen van coherent EUV lichtis een HHG-opstelling compact op te bouwen, zodat de opstelling opeen gewone labtafel past. Hogere harmonische generatie begint meteen extreem korte en intense lichtpuls, die sterker is dan de Coulomb-potentiaal die elektronen aan hun atomen bindt. De ontwikkelingvan een lasersysteem dat dergelijke pulsen levert wordt in hoofdstuk 2beschreven.

Om hogere harmonischen te genereren wordt de lichtpuls gefocus-seerd in een gaswolk van bijvoorbeeld argon. Het elektrisch veld vande lichtpuls wordt daarbij zo sterk dat een elektron uit het atoom kantunnelen. Dit elektron word dan versneld in het lichtveld. Omdatlicht een golf is draait het elektrisch veld vervolgens om, waardoorhet elektron eerst wordt afgeremd en daarna versneld richting het oor-spronkelijke atoom. Zodra het elektron bij het oorspronkelijke atoomterug komt, is er een kans dat het elektron weer geabsorbeerd wordt.De bewegingsenergie van het elektron wordt dan omgezet in een hoog-energetisch (EUV) foton. Aangezien dit proces door een coherente

165

Page 5: Samenvatting - Vrije Universiteit Amsterdam dutch.pdf · Samenvatting Achtergrond en motivatie De titel van dit proefschrift kan vertaald worden als lens-vrije, spectraal opgeloste

Samenvatting

lichtpuls gestuurd word en bij talloze atomen tegelijk gebeurt, ontstaatzo een coherente, laser-achtige EUV-bundel. Aangezien EUV sterkgeabsorbeerd wordt door lucht, vind het hele experiment vanaf EUV-generatie tot -detectie plaats in een vacuümkamer.

Hoewel de gegenereerde bundel coherent is, is deze niet monochro-matisch. Een typisch HHG-spectrum gegenereerd door een lichtpulsmet golflengte λ0 bestaat uit een verzameling smalle pieken waarvan degolflengtes bijvoorbeeld λ0/13, λ0/15, λ0/17, λ0/19, ... zijn. Het spec-trum bevat in dit geval dus de 13de, 15de, 17de, 19de, ... boventonenvan de oorspronkelijke lichtgolf, waarop de naam hogere harmonischenis gebaseerd. Een veelgebruikte manier om hogere harmonischen tegebruiken voor CDI is met behulp van multilaags EUV-spiegels, diedoor de precies gecontroleerde dikte van de laagjes slechts een enkelegolflengte reflecteren. Dit geeft de benodigde monochromatische co-herente EUV-bundel voor CDI. Op deze manier hebben verschillendeonderzoeksgroepen HHG gebruikt voor microscopie met een resolutiebeter dan 20 nanometer.

Interferentie van hogere harmonischenZoals kleurenfotografie veel meer informatie overbrengt dan zwart-witfotografie, zo zou spectraal opgeloste EUV microscopie (waarbijvoor elke golflengte een afbeelding wordt gemeten) een waardevolletechniek zijn voor de moderne wetenschap. Door beelden te vergelijkenbij verschillende golflengtes, is het mogelijk om efficiënter gebruik temaken van de elementgevoeligheid van EUV. Ondanks dat HHG cohe-rent licht produceert met veel verschillende golflengtes is het echterniet zo eenvoudig om al deze golflengtes tegelijkertijd te gebruikenvoor CDI. In hoofdstuk 4 wordt beschreven hoe het mogelijk is deHHG-bundel spectraal en ruimtelijk opgelost te meten met behulp vanfouriertransformatiespectroscopie (FTS). In hoofdstuk 5 gebruiken wijdeze methode om spectraal opgeloste CDI te doen.

In FTS, uitgelegd in figuur 2, wordt het spectrum bepaald aande hand van de interferentie van twee identieke pulsen. Omdat ditprincipe slechts een enkele intensiteitsdetector nodig heeft, is het mo-gelijk om met een camera het spectrum op verschillende pixels te

166

Page 6: Samenvatting - Vrije Universiteit Amsterdam dutch.pdf · Samenvatting Achtergrond en motivatie De titel van dit proefschrift kan vertaald worden als lens-vrije, spectraal opgeloste

t

Edt

E

t

E

t0

0

0

0

0

0

dt

dt

dtI

I

I

dt

I

I

I

0

0

0

f

f

f

a) b) c)

d) e) f)

g) h) i)

Figuur 2: Het werkingsprincipe van fouriertransformatiespectroscopie.Als een enkele lichtgolf (a) op een lichtsensor zoals een camera valt,dan detecteert die een constante intensiteit (b). Hier is geen nuttigespectrale informatie uit te winnen (c). Als we dan de som van tweeidentieke golven met een controleerbaar tijdsverschil dt (d) meten, danhangt de intensiteit van het tijdsverschil af (e). Met behulp van eenfouriertransformatie is het dan mogelijk de frequentie van de golf teberekenen (f). Dit werkt ook twee identieke complexere golven (g).Uit het resulterende interferentiepatroon (h) kan dan het volledigespectrum berekend worden (i).

meten. Dit zou gebruikt kunnen worden om bundels met een complexruimtelijk en spectraal profiel, zoals een meerkleurig diffractiepatroon,te meten. Dit is een opvallend verschil met andere methodes om hetspectrum te meten, waarbij de verschillende golflengtes bijvoorbeelddoor een tralie ruimtelijk gescheiden worden. FTS wordt veel gebruiktvoor spectroscopie van infrarood en zichtbaar licht. Een interessantetoepassing is spectraal opgeloste fotografie waarbij meer informatiewordt verkregen dan in traditionele kleurenfotografie [173]. Voor EUVwordt FTS echter bemoeilijkt door de korte golflengte en de limitatiesvan optische elementen voor EUV. Anders dan voor langere golflengtesis het niet mogelijk om met een bundelsplitser een directe kopie van

167

Page 7: Samenvatting - Vrije Universiteit Amsterdam dutch.pdf · Samenvatting Achtergrond en motivatie De titel van dit proefschrift kan vertaald worden als lens-vrije, spectraal opgeloste

Samenvatting

de bundel te maken. Een mogelijke alternatieve oplossing is om debundel ruimtelijk te splitsen met behulp van een gespleten spiegelwaarvan de helften ten opzichte van elkaar kunnen bewegen. In dezesituatie leidt diffractie aan de rand van de spiegels vaak ertoe datde individuele bundels een complex en verschillend intensiteitsprofielkrijgen. Aangezien een complex bundelprofiel het beeld vervormt inCDI, zijn dergelijke ’split-mirror’ technieken niet goed geschikt voorCDI.

Om dit probleem te voorkomen, maken wij gebruik van de coheren-tie van hogere harmonische generatie. Twee identieke laserpulsen inidentieke gaswolken genereren daarom precies dezelfde EUV-lichtpuls.Zulke identieke laserpulsen zijn relatief makkelijk te produceren. Doorde EUV-pulsen te overlappen en in de tijd te verschuiven is het dusmogelijk om EUV-FTS te doen zonder speciale optische elementen voorextreem ultraviolet licht. Het is daarbij wel belangrijk dat de stabiliteitvan het tijdsverschil tussen de pulsen beter is dan een fractie van de os-cillatieperiode van het licht. De meeste interferometers voor zichtbaarlicht zijn niet stabiel genoeg voor EUV, waarvan de oscillatieperiodeslechts een fractie van een femtoseconde is. In hoofdstuk 4 maken wijdaarom gebruik van een interferometer gebaseerd op dubbelbrekendewiggen (smalle prisma’s). Een enkele laserpuls wordt hierin opgesplitstin twee pulsen met verschillende polarisatie. Deze pulsen zien eenverschillende brekingsindex en worden dus opgesplitst in tijd. Hettijdsverschil tussen de pulsen kan op attoseconde-niveau gecontroleerdworden door een wig verder in de bundel te schuiven en zo meerdubbelbrekend materiaal te introduceren. Aangezien de laserpulsenhetzelfde pad volgen kunnen vibraties van spiegels het tijdsverschiltussen de pulsen niet beïnvloeden, waardoor de interferometer extreemstabiel is.

De interferometer wordt als een module tussen de laser en de ho-gere harmonische generatie geplaatst. De oorspronkelijke laserpulsenworden opgesplitst in pulsparen met een tijdsverschil tussen de −25en +25 femtoseconden, en vervolgens gefocusseerd in een gaswolk inde vacuümkamer. Om de gasdruk in de rest van de vacuümkamer zolaag mogelijk te houden gebruiken we een gepulste klep om de gaswolkte maken. Belangrijk is dat de laatste wig van de interferometer zogedraaid is dat de twee pulsen van elk paar op ongeveer 0.3 millimeter

168

Page 8: Samenvatting - Vrije Universiteit Amsterdam dutch.pdf · Samenvatting Achtergrond en motivatie De titel van dit proefschrift kan vertaald worden als lens-vrije, spectraal opgeloste

afstand van elkaar gefocusseerd worden. Dit zorgt ervoor dat de hetsterke elektrische veld van de ene puls de hogere harmonische gene-ratie van de andere puls niet beïnvloed en dat onafhankelijk van hettijdsverschil tussen de pulsen gelijke EUV-pulsen worden gegenereerd.

Golflengte (nm)

Frequentie (PHz)

a) b)

Figuur 3: EUV spectrum dat hoort bij de meting die in de margesvan deze thesis geprint is (symbolisch weergegeven met a). Om hetspectrum (b) te berekenen, is het tijdsafhankelijke interferentiepatroonfouriergetransformeerd en zijn de spectra van de 100 pixels opgeteld.

Na de hogere harmonische generatie wordt het infrarode laserlichtgeblokkeerd door een 200 nanometer dun stuk aluminiumfolie. Ditwerkt als een spiegel voor zichtbaar en infrarood licht, maar is relatieftransparant voor EUV. Pas dan is het mogelijk om met een digitalecamera het EUV te meten. Typische beelden van de gemeten EUV-bundel zijn te zien in de marges van dit proefschrift tussen bladzijde 1en 135. De rechte, bijna verticale lijnen in deze plaatjes zijn het gevolgvan interferentie tussen de twee EUV-pulsen. Deze lijnen verschuivenvan plaatje tot plaatje omdat elk van deze metingen is gedaan meteen ander tijdsverschil tussen de pulsen. Dit proefschrift laat zo een(gedeelte van een) FTS-meting zien. Het ruimtelijk opgeloste spectrumkan vervolgens berekend worden door voor elke pixel op de camerahet tijdsafhankelijke interferentiepatroon te fouriertransformeren (fi-guur 3). In hoofdstuk 4 laten wij zien dat deze meting gebruikt kanworden voor golflengtes tussen 17 en 55 nanometer, kortere golflengtesdan ooit gedemonstreerd in fouriertransformatiespectroscopie.

169

Page 9: Samenvatting - Vrije Universiteit Amsterdam dutch.pdf · Samenvatting Achtergrond en motivatie De titel van dit proefschrift kan vertaald worden als lens-vrije, spectraal opgeloste

Samenvatting

Spectraal opgeloste diffractie microscopieOm de metingen voor spectraal opgeloste microscopie te doen met onzeopstelling volstaat het om een object tussen de HHG en de camera teplaatsen. Als eerst hebben wij zo de transmissie van een titaniummembraan met een gat erin bepaald. In dit geval was het object zogroot en stond het zo dicht bij de camera dat diffractie geen rol speelde.Het was dus mogelijk om de transmissie van het membraan en die vanhet gat te onderscheiden op basis van de locatie op de camera (ziefiguur 4.5). Dit levert een direct gekalibreerde meting van de spectraletransmissie van het membraan.

Hoewel dit experiment al als microscopie beschouwd kan worden isde resolutie enkele tientallen micrometers, gelimiteerd door het formaatvan de pixels. In hoofdstuk 5 wordt beschreven hoe een betere reso-lutie behaald kan worden met behulp van CDI. In de eerste metingcombineren we CDI met holografie door enkele referentiegaatjes teplaatsen naast het object. Aan de hand van de interferentie tussende diffractie van het object en van de referentie is het mogelijk omeen afbeelding van het object te krijgen in een enkele, relatief simpeleberekening. Deze eerste versie kan dan verbeterd worden met behulpvan iteratieve fasereconstructie, wat tot een hogere resolutie en minderruis kan leiden. De resultaten hiervan zijn voor één golflengte te zienin figuur 4. Uit de volledige dataset was het mogelijk om voor viergolflengten beelden te reconstrueren (figuur 5.5).

Een belangrijke conclusie van dit experiment is dat de diffractiepa-tronen die door EUV-FTS gemeten worden niet volledig gelijk zijn aande diffractiepatronen die andere CDI experimenten meten. Dit komtdoordat de twee EUV-pulsen op verschillende plekken worden gegene-reerd zodat er een kleine hoek tussen de twee bundels is. Het verschil inde meting zorgt ervoor dat er ook een ander fasereconstructiealgoritmenodig is. Het eerste deel van hoofstuk 5 beschrijft de ontwikkeling enkarakterisatie van een dergelijk algoritme. Het blijkt dat FTS meerinformatie geeft over de fase van het diffractiepatroon maar minderover de amplitude van het diffractiepatroon. Uit de karakterisatie vanhet algoritme, waarbij onze methode wordt vergeleken met standaardCDI, blijkt dat de extra fase-informatie leidt tot een efficiënter re-constructiealgoritme. Dat wil zeggen dat het algoritme vergelijkbare

170

Page 10: Samenvatting - Vrije Universiteit Amsterdam dutch.pdf · Samenvatting Achtergrond en motivatie De titel van dit proefschrift kan vertaald worden als lens-vrije, spectraal opgeloste

a) b) c) d)

Figuur 4: a: Een van de monochromatische diffractiepatronen (golf-lengte 32 nanometer) gemeten met FTS met een ARCNL logo in debundel. b: Het gemeten FTS-fasepatroon, dat het faseverschil tussende twee EUV-bundels aangeeft. c: Holografische reconstructie van hetobject op basis van de data uit a en b. d: Het uiteindelijke beeld navolledige fasereconstructie.

kwaliteit levert in minder rekenstappen. Uit andere resultaten in dithoofdstuk blijkt bovendien dat deze manier van microscopie ook werktvoor significant complexere objecten (figuur 5.6).

Het is duidelijk dat FTS spectraal opgeloste microscopie met ho-gere harmonischen mogelijk maakt. De beste ruimtelijke resolutie inde gepresenteerde experimenten is 270 nanometer. Deze resolutie isbegrensd door het lage aantal fotonen dat met grote hoek van hetobject verstrooit. Het is dus mogelijk om de resolutie te verbeterendoor langer te meten en door objecten te gebruiken die meer fijnestructuur bevatten. De spectrale resolutie is ruim voldoende om deindividuele hogere harmonischen te kunnen waarnemen. Een van devervolgonderzoeken is het benutten van deze spectrale resolutie om zote kunnen meten wat de elementaire samenstelling is van een object opverschillende plaatsen in dat object.

Fase metrologieDe fase-gevoeligheid van FTS kan ook direct gebruikt worden voor pre-cisiemetingen in het EUV domein. Een voorbeeld hiervan is het metenvan materiaaleigenschappen zoals de brekingsindex en de absorptieco-ëfficient. In hoofdstuk 6 gebruiken we FTS om de faseverschuivingvan EUV licht dat door door dunne lagen metaal beweegt te meten.

171

Page 11: Samenvatting - Vrije Universiteit Amsterdam dutch.pdf · Samenvatting Achtergrond en motivatie De titel van dit proefschrift kan vertaald worden als lens-vrije, spectraal opgeloste

Samenvatting

Dit levert een directe meting van de dispersie van dat materiaal enkan gebruikt worden om de golflengte-afhankelijke brekingsindex tebepalen. Omdat deze methode werkt voor alle golflengtes die metHHG geproduceerd kunnen worden, overbrugt deze methode het gattussen UV en röntgenstraling, waar relatief weinig informatie bekendis over de brekingsindex van materialen.

Voor deze meting gebruiken we een gekromde spiegel om de EUV-pulsen te herfocusseren. Daarbij worden de twee pulsen op verschil-lende plekken gefocusseerd. In het focus plaatsen we een gestructureerdsiliciumnitride membraan, zodat een van de bundels door een metaal-laag op het membraan loopt en de andere bundel door een gat in hetmembraan loopt (figuur 6.1). De eerste bundel wordt daarbij extravertraagd door de aanwezigheid van het membraan. Deze faseverschui-ving kan wordt direct gemeten met FTS. Voor de vier verschillendematerialen die we gemeten hebben vinden we een goede overeenkomstmet de verwachting op basis van de best bekende waarden voor debrekingsindex.

Gecontroleerde diffractie als meetapparaatDiffractie is sterk golffront-afhankelijk. Een gecollimeerde bundel leidtbijvoorbeeld tot een ander diffractiepatroon dan een divergerende bun-del. In CDI wordt dit gebruikt om het golffront van een onbekendobject te bepalen. Als het object bekend is, dan is de reconstructievan het golffront vaak makkelijker en betrouwbaarder. In hoofdstuk 8beschrijven wij hoe het mogelijk is om met een slim gekozen object hetgolffront te reconstrueren van de verschillende hogere harmonischenin een enkele meting, iets wat met andere methodes niet mogelijk is.Hiervoor maken we gebruik van een Hartmann-sensor met tralies in deopeningen van de sensor.

Deze spectraal opgeloste Hartmann-sensor kan goed gebruikt wor-den om de kwaliteit van HHG bundels te controleren. De gemetengolffronten kunnen gebruikt worden als referentie in een spectraal op-gelost CDI experiment. Daarnaast is goede golffrontkennis van cruciaalbelang voor talloze precisiemetingen. Om deze reden is het concept vande spectraal opgeloste golffrontsensor dan ook gepatenteerd.

172

Page 12: Samenvatting - Vrije Universiteit Amsterdam dutch.pdf · Samenvatting Achtergrond en motivatie De titel van dit proefschrift kan vertaald worden als lens-vrije, spectraal opgeloste

Figuur 5: a: Diffractie van een HHG-bundel aan de spectraal opgelosteHartmann-sensor. b: Gereconstrueerde golffronten van verschillendeharmonischen op basis van a.

Meten aan de hogere harmonische generatieEen van de toepassingen van de spectraal opgeloste golffrontsensor isde studie van het proces hogere harmonische generatie zelf. HHG iseen van de bekendste voorbeelden van strong field physics, waarbijhet elektrische veld van de laser te sterk is om als een verstoringvan de Coulombpotentiaal gezien te worden. In begin 2018 toondenH. Wikmark en zijn collega’s uit de onderzoeksgroep van Prof. A.L’Huillier aan dat hogere harmonischen met een golflengte-afhankelijkgolffront geproduceerd kunnen worden door een wisselwerking tussenhet golffront van de laserpuls en de beweging van elektronen in hetsterke veld.

Het ligt voor de hand om dit effect te meten met de spectraalopgeloste Hartmann-sensor. Hoofdstuk 9 beschrijft het experimentelewerk en de resultaten van een samenwerking tussen de groep in Lunden onze groep in Amsterdam met dit doel. Voor dit experiment hebbenwe gebruik gemaakt van de hoge intensiteit HHG bundel in Lund. Indeze opstelling is het mogelijk om de golffrontkromming van de lasergecontroleerd aan te passen met een buigbare spiegel, waardoor eengoed gecontroleerde meting mogelijk is. Daarnaast is de pulsenergievan de laser zo groot dat het meten van golffronten van individueleEUV-pulsen een mogelijkheid is.

173

Page 13: Samenvatting - Vrije Universiteit Amsterdam dutch.pdf · Samenvatting Achtergrond en motivatie De titel van dit proefschrift kan vertaald worden als lens-vrije, spectraal opgeloste

Samenvatting

Om de juiste veldsterkte te bereiken met deze hoge puls ener-gie wordt de laser zwak gefocusseerd, met slechts een licht gekromdgolffront in de gas-cel waar HHG plaatsvindt. Dit leidt tot een wei-nig divergente EUV-bundel die pas vier meter verderop gemeten kanworden. De combinatie van deze factoren zorgt ervoor dat de golf-frontkromming van de hogere harmonischen bij de sensor zeer zwakis. In onze metingen was het daarom moeilijk om het signaal teonderscheiden van de ruis, die voornamelijk een gevolg is van hetrelatief sterke achtergrondlicht op de camera. We hebben slechts in éénsituatie een duidelijk golflengte-afhankelijk signaal waargenomen, maardit resultaat kan niet direct gecorreleerd worden aan de voorspellingvan H. Wikmark et al..

Ten slotte worden er verschillende aanpassingen voorgesteld om hetgolflengte-afhankelijke golffront te meten. Dit omvat het verbeterenvan de signaal-ruis verhouding in de ruwe data, het aanpassen van degolffrontsensor om het golffront op meer punten te meten, en het aan-passen van de meetopstelling om het verwachtte effect te verbeteren.

ConclusiesIn dit proefschrift zijn er verschillende spectraal opgeloste meetmetho-den met hogere harmonischen gepresenteerd. Dankzij een ultrastabieleinterferometer met dubbelbrekende wiggen is het mogelijk om FTS uitte voeren met het volledige spectrum gegenereerd met hogere harmo-nische generatie. Dit maakt het mogelijk om hoge ruimtelijke resolutiete combineren met spectrale resolutie. De fasegevoeligheid van dezemeting maakt FTS uitermate geschikt voor spectraal opgeloste micro-scopie. FTS kan ook direct ingezet worden om materiaaleigenschappente meten. Een andere methode om spectraal opgeloste metingen tedoen, specifiek aan de HHG-bundel zelf, is door middel van diffractieaan een speciaal daarvoor ontwikkeld masker. Wij hebben dit gebruiktom het golffront van individuele harmonischen te bepalen. Dit levertgedetailleerde informatie over het HHG-proces die waardevol is voorEUV precisiemetrologie en microscopie. Met fouriertransformatiespec-troscopie en gecontroleerde diffractie wordt het mogelijk om beter vanhet unieke spectrum van hogere harmonischen gebruik te maken.

174