Application and Development of Fourier Transform Holography

Anwendung und Weiterentwicklung von Fourier-Transformations-Holografie

  • The thesis deals with Fourier transform holography at third and fourth generation x-ray sources. This lensless imaging technique exploits the coherence of the light sources to couple a reference wave into a transmission scattering experiment. As a result, the complete wavefront information of the object wave is recorded in the detection process. In this way Fourier transform holography solves the phase problem of lensless imaging methods and provides an image of the object. Fourier transform holThe thesis deals with Fourier transform holography at third and fourth generation x-ray sources. This lensless imaging technique exploits the coherence of the light sources to couple a reference wave into a transmission scattering experiment. As a result, the complete wavefront information of the object wave is recorded in the detection process. In this way Fourier transform holography solves the phase problem of lensless imaging methods and provides an image of the object. Fourier transform holography in combination with x-rays features a high spatial resolution and special contrast mechanisms. Especially x-ray magnetic circular dichroism makes the technique suited for the investigation of magnetic samples with perpendicular anisotropy. Today, the element-specific imaging of magnetic domain patterns is routinely performed at synchrotrons with a spatial resolution below 50nm in a variable magnetic field and temperature environment. By exploiting all of these parameters it becomes possible to investigate the duplication of domains in an exchange-decoupled system. The magnetic configuration of a magnetically hard Co/Pd multilayer is successfully replicated through a 10-nm-thick Pd layer into a magnetically soft CoNi/Pd multilayer. This duplication can be triggered either by the variation of an external magnetic field or the environmental temperature. Fourier transform holography reduces the field of view on a specimen to typically less than 1 μm^2. In the case of magnetic Co/Pd and Co/Pt multilayers this area corresponds to the width of few domains. Due to this confinement it is possible to find sudden irreproducible magnetization jumps in local hysteresis loops measured in transmission at the Co-L3 edge. It is shown that such steps in the local hysteresis loop are observed when using increased sputter pressure during samples deposition or by introducing an antiferromagnetically coupled interlayer. In addition, holography images on the identical sample region allow detailed investigation of the magnetic configuration. For the antiferromagnetically coupled sample system an antiferromagnetic stripe domain state could be directly imaged. Free-electron lasers provide femtosecond x-ray pulses with unprecedented peak brightness and promise a high spatial and temporal resolution. At the same time, the source’s statistic character and energy deposition above the ablation level of many materials require the development of new experimental techniques. Fourier transform holography supports multiple references which, in conjunction with a split-and-delay line, make this technique capable to superimpose two holograms on the same detector and deliver two images of a specimen within a femtosecond time delay. The concept maps the temporal information of the pulse arrival to a spatial information in the hologram reconstruction. The resulting twoimage sequence constitutes a first step towards ultrafast x-ray movies at the nanoscale.show moreshow less
  • Das Thema der vorliegenden Arbeit ist die Fourier-Holografie an Röntgenquellen der dritten und vierten Generation. Dieses linsenlose Abbildungsverfahren nutzt die Kohärenz der Lichtquellen, um eine Referenzwelle in ein Transmissions-Streuexperiment einzukoppeln. Dadurch wird bei der Detektion der von einem Objekt gestreuten Objektwelle die vollständige Welleninformation aufgezeichnet. Somit umgeht die Fourier-Holografie das Phasenproblem linsenloser Abbildungsverfahren und erzeugt ein Bild des ODas Thema der vorliegenden Arbeit ist die Fourier-Holografie an Röntgenquellen der dritten und vierten Generation. Dieses linsenlose Abbildungsverfahren nutzt die Kohärenz der Lichtquellen, um eine Referenzwelle in ein Transmissions-Streuexperiment einzukoppeln. Dadurch wird bei der Detektion der von einem Objekt gestreuten Objektwelle die vollständige Welleninformation aufgezeichnet. Somit umgeht die Fourier-Holografie das Phasenproblem linsenloser Abbildungsverfahren und erzeugt ein Bild des Objektes. In Kombination mit Röntgenstrahlen stehen der Fourier-Holografie sowohl eine hohe Ortsauflösung als auch spezielle Kontrastmechanismen zur Verfügung. Insbesondere der magnetische Zirkulardichroismus ermöglicht die Untersuchung magnetischer Multilagen mit senkrechter Anisotropie. An Synchrotrons können heute routinemäßig magnetische Domänenkonfigurationen mit einer Ortsauflösung unterhalb von 50nm im angelegten Magnetfeld und bei variabler Temperatur elementspezifisch abgebildet werden. Durch Nutzung all dieser Parameter ist es möglich die Replizierung von magnetischen Domänen in einem austauschentkoppeltem System zu untersuchen. Die magnetische Konfiguration einer magnetisch harten Co/Pd-Multilage kann über dipolare Streufelder erfolgreich durch eine 10nm dicke und nichtmagnetische Pd-Schicht hindurch einer magnetisch weichen CoNi/Pd-Multilage aufgeprägt werden. Diese Duplizierung lässt sich sowohl durch die Variation eines externen Magnetfeldes als auch durch Änderung der Temperatur an der Probe auslösen. Fourier-Holografie schränkt das Sichtfeld auf die Probe stark auf typischerweise weniger als 1 μm^2 ein. Im Falle magnetischer Multilagen entspricht dies der Breite weniger Domänen. Hierdurch ist es möglich in Hysteresekurven von Co/Pd- und Co/Pt-Multilagen, gemessen durch Röntgentransmission an der Co-L3 Absorptionskante, nicht reproduzierbare Magnetisierungssprünge zu erkennen. Diese werden sowohl bei einer Erhöhung des Sputterdrucks bei der Probendeposition, als auch beim Einbringen einer antiferromagnetisch gekoppelten Zwischenschicht beobachtet. Parallel dazu ermöglichen magnetische Fourier-Holografie Bilder der identischen Probenregion die Untersuchung der magnetischen Konfiguration. Für die Probe mit der antiferromagnetisch gekoppelten Zwischenschicht konnte so ein antiferromagnetischer Streifendomänenzustand (antiferromagnetic stripe domain state) direkt nachgewiesen werden. Freie-Elektronen Laser erzeugen hochbrilliante, ultrakurze Röntgenpulse und versprechen damit eine sehr hohe zeitliche und räumliche Auflösung. Gleichzeitig erfordern die hohe deponierte Energie oberhalb der Ablationsschwelle vieler Materialen sowie die statistische Natur dieser Quellen die Entwicklung neuer Untersuchungsmethoden. Fourier-Holografie unterstützt multiple Referenzen, welche in Verbindung mit einer „split-and-delay line“ mehrere Hologramme einer Probe auf dem gleichen Detektor überlagern können und somit zwei Bilder innerhalb eines Femtosekunden-Zeitabstandes generieren. Die räumliche Trennung der enstehenden Bilder in der Hologramrekonstruktion kodiert dabei den Zeitunterschied und ermöglicht somit eine ultraschnelle Sequenz zweier Bilder. Dies stellt einen ersten Schritt auf dem Weg hin zu Röntgenfilmen ultraschneller Prozesse auf der Nanometerskala dar.show moreshow less

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Metadaten
Author: Christian Michael Günther
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-34608
Advisor:Prof. Dr. Stefan Eisebitt
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2012/04/05
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Date of final exam:2012/01/24
Release Date:2012/04/05
Tag:Holografie; XMCD (magnetischer Röntgen-Zirkulardichroismus); Zeitauflösung; dünne Schicht; weiche Röntgenstrahlung
Holography; Soft X-rays; Thin Films; Time Resolution; XMCD (X-ray Magnetic Circular Dichroism)
Institutes:Institut für Optik und Atomare Physik
Dewey Decimal Classification:530 Physik
Licence (German):License LogoCC BY-NC-ND 2.0 DE: Creative Commons-Lizenz: Namensnennung, nicht kommerziell, keine Bearbeitung 2.0 Deutschland