Name: measurement of x-ray beam coherence along multiple directions using 2-d checkerboard phase grating
Uploaded: 2016-10-11T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 39 s
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Use of the Advanced Photon Source and Center for Nanoscale Materials, Office of Science User Facilities operated for the U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science by Argonne National Laboratory, was supported by the U.S. DOE under Contract No. DE-AC02-06CH11357. We acknowledge Dr. Han Wen, NHLBI / National Institutes of Health, Bethesda, MD 20892, USA, for many helpful suggestions during the data processing.

1. Planung des Experiments <ol><li> Identifizieren Sie die Synchrotron-Strahlrohr. Kontakt-Strahlrohr Wissenschaftler die Angemessenheit des Experiments zu diesem beamline zu finden. HINWEIS: Die Experimente in diesem Manuskript berichtet wurden an der 1-BM-B-Strahllinie durchgeführt, die Optik und Detektoren Testen gewidmet ist, unter XSD von APS. </li><li> Einen Benutzer Vorschlag und Strahlzeit Anfrage. </li><li> Arbeiten Sie die Details des Experiments mit der beamline Wissenschaftler aus und geben Sie die erforderlichen Instrumente einschließlich motorisierte Tische für das Gitter und Detektor Ausrichtung, 2-dimensionalen Detektor (CCD oder CMOS), lange Übersetzung Bühne abdeckt, die am wenigsten und am weitesten Entfernungen zwischen dem Detektor benötigt und das Phasengitter. </li><li> Bereiten Sie sich auf die Strahlzeit, indem Sie die in der entsprechenden Website bereitgestellten Anweisungen. Füllen Sie die Sicherheitstrainings und notwendige experimentelle Sicherheitsbeurteilung Form. </li></ol> 2. Herstellung der 2-D-Schachbrett Phase Grating <ol><li> Bestimmung der Periode des Gitters, p, die der Periode des Interferogramms Muster verwandt ist, p θ, entlang unterschiedlicher Querrichtungswinkel θ. Die Sichtbarkeit Werte V θ (d) des Interferogramms entlang verschiedener θ Winkel schwingen als Funktion des Gitters-Detektor - Abstand, d. Für ein 2-D schachbrett π / 2 - Phasengitter, V θ (d) Peaks bei Entfernungen, <img alt="Gleichung 1" src="/files/ftp_upload/53025/53025eq1.jpg" /> mit n = 1, 2, 3 ... und λ die Photonenwellenlänge. Das Interferogramm - Muster hat eine charakteristische Periode von p θ = p / √2 entlang der diagonalen Richtung der quadratischen Blöcken und einer Periode von p = θ p / 2 entlang der Kante der quadratischen Blöcke. Die Wahl von p beruht also auf der folgendenKriterien. </li><li> Stellen Sie sicher , mindestens mehrere V θ (d) Peaks innerhalb des größten Gitter-zu-Detektor - Abstand, oder den Raum Grenze der Versuchsstation, d max. Um d n erfüllen, θ &lt;d max, folgt <img alt="Gleichung 2" src="/files/ftp_upload/53025/53025eq2.jpg" /> Für n = 5 ist , d max = 1 m, λ = 0,06888 nm (18 keV), gibt es p θ &lt;3,9 um. </li><li> Innerhalb d max, stellen Sie sicher , dass die Höhe der V θ (d) Spitzenwert bei den größten Abstand d n, θ weniger als einen Faktor γ von derjenigen der ersten V θ (d) Peak bei d 1, θ , um eine genaue Gaussian Abklingfunktion Anprobe haben. Daher γ = V θ, n (d) /V θ, 1 (d) , das ist das Verhältnis des n - ten Spitzen Sichtbarkeit der ersten Spitze. Für eine Röntgenstrahlungsquelle folgende Gaußschen Intensitätsverteilung mit der Kohärenzlänge ξ θ, die Periode eines π / 2 - Phasengitter Bedürfnisse zu befriedigen <img alt="Gleichung 3" src="/files/ftp_upload/53025/53025eq3.jpg" /> beispielsweise mit γ = 10%, ξ θ = 5 &amp; mgr; m und Parameter oben gibt es p θ&gt; 2,4 um. </li><li> Stellen Sie sicher , dass die Periode des Interferogramms Muster, p θ, einige Male größer ist als die räumliche Auflösung des Detektors wird durch die korrekten Detektorsysteme wählen. </li><li> Bestimmen die Dicke T des Gitters für eine Phasenverschiebung erforderlich ist , φ, an der Röntgenphotonenwellenlänge, λ, unter Verwendung von <img alt="Gleichung 4" src="/files/ftp_upload/53025/53025eq4.jpg" /> wobei δder Brechungs Dekrement der Phasenverschiebungsmaterialindex. Beispielsweise ist der Brechungsindex Dekrement für Au 9,7 × 10 -6 für 18 keV. Die Au - Dicke für φ = π / 2 - Phasengitter ist somit 1,8 um. </li><li> Fabrizieren das Phasengitter von Au in einer gemusterten Polymerform Elektroplattieren auf einer Siliziumnitrid (Si 3 N 4) Fenster. HINWEIS: Das Verfahren zur Herstellung von Siliciumnitrid (Si 3 N 4) Fenstersubstrat und Herstellung der Gitterstruktur sind nachfolgend dargestellt. <ol><li> Vorbereiten des Substrats , indem zuerst das Si 3 N 4 Membran Lösen der Röntgenstrahlen durchlässigen Fenster zu bilden. </li><li> Erwerben , Silizium (Si) -Wafer mit niedriger Spannung (&lt;250 MPa) Si 3 N 4 auf beiden Seiten des Wafers von einem Anbieter abgeschieden. </li><li> Laden Sie die Wafer in eine Magnetron-Sputter-Beschichtungssystem Cr und Au abzuscheiden als Galvanik Basis zu handeln. </li><li> Kaution 5 nm Cr thde 30 nm Au auf einer Seite des Wafers, Anweisungen des folgenden Herstellers. HINWEIS: Die Abscheidungsprozesse aus dem Systemhersteller Informationen wie Abschmelzleistung umfassen wird. </li><li> Unload-Wafer aus Abscheideanlage. Verwenden Sie die Seite des Wafers abgeschieden mit Cr und Au für Gitterfertigung. </li><li> Bestimmen Sie die Gesamtgröße des Gitters und dann Design eine photolithographische Maske auf Muster Membranen etwas größer. Verwenden Sie den Entwurf, der eine photolithographische Maske zu erwerben, indem sie von einem Anbieter zu kaufen oder die photolithographische Maske herzustellen. </li><li> Spin eine 3 um dicke Schicht Photolack auf der Rückseite des Wafers, wo es keine Cr und Au-Beschichtung. Expose der Resist mit einem UV-Lithographie-Tool für 20 Sekunden die entworfene photolithographischen Maske. Entwickeln der wässrigen alkalischen Entwicklerlösung wider in exponierten spülen für 30 Sekunden dann mit entsalztem Wasser und trocken mit fließenden N 2. </li><li> Laden Sie den Wafer in ein reaktives Ionenätzen (RIE) Werkzeug with strukturierten Photoresist die Kammer gegenüber. Verwenden Sie CF 4 Plasma die freiliegenden Si 3 N 4 folgende Werkzeug Anweisungen zu ätzen. </li><li> Evakuieren der Ätzkammer und Eingangs Ätzrezept in RIE-Tool. Das Rezept ausführen , bis die Si 3 N 4 Schicht vollständig geätzt wird und die Si - Schicht in dem Muster belichtet. </li><li> Ätzen des freigelegten Si auf der Waferrückseite, indem sie in 30% KOH-Lösung eingetaucht erhitzt auf 80 ° C etwa 8 h für. Etch Rate beträgt etwa 75 &amp; mgr; m / h mit der angegebenen Rezeptur. </li><li> Nach dem Si - Ätzung beendet ist, mit deionisiertem Wasser abspülen und trocken mit 2 N fließt. Die Probe ist bereit für Gitterfertigung. </li></ol></li><li> Fabrizieren die Galvanotechnik Form für das Phasengitter mit den folgenden Schritten. <ol><li> Gestalten Sie das Quadrat Schachbrett-Gittermuster und kompensieren Muster Vorspannen durch die freiliegende quadratische Mustergröße von 100 bis 250 nm zu reduzieren. Fügen Sie eine&gt; 50 &amp; mgr; m breiten Rahmen um den grating Muster später für Dicke Bestätigung in den Prozess. </li><li> Legen Sie die Probe in einem Resist-Spin Coater und Ablagerung Poly (methylmethacrylat) (PMMA) positive Resist-Lösung auf der Gitterseite der Probe. Führen Sie den Resist Spinnbeschichters Film eine 2 bis 3,5 um dicke Resist je nach gewünschten endgültigen Gitterdicke zu bilden. HINWEIS: Spin-Kurven mit Informationen über die Schleuderdrehzahl im Vergleich zu Filmdicke durch die PMMA-Lösungsanbieter zur Verfügung gestellt oder können empirisch ermittelt werden. </li><li> Laden des Wafers in einen 100 keV Elektronenstrahl-Lithographiesystem. </li><li> Kalibrieren Sie Werkzeug für die Belichtung mit einem großen Belichtungsstrom größer als 10 nA. </li><li> Belichten der PMMA mit einem 100 keV Elektronenstrahllithographiewerkzeug widerstehen dem Gittermuster zu schaffen, wobei belichtete Bereiche in dem Entwicklungsschritt entfernt werden. Verwenden Sie einen Belichtungsdosisbereich von 1,100-1,250 &amp; mgr; C / cm 2 je nach Dicke widerstehen. </li><li> Entlasten Sie die Probe aus dem Werkzeug. </li><li> Entwickeln der belichteten Resistdurch Untertauchen in einem 7: 3 (nach Volumen) Isopropylalkohol (IPA): VE-Wasser-Lösung für 30-40 Sekunden unter leichtem Schwenken. Spülen mit IPA und dann trocken mit N 2 fließt. Sicherstellen, dass die PMMA vollständig durch einen Blick auf exponierten Bereich mit einem optischen Mikroskop entwickelt wurde. </li><li> Legen Sie die Probe in ein RIE Werkzeug mit PMMA-Muster der Kammer gegenüber. </li><li> Evakuieren der Ätzkammer und Eingang Descum Ätzrezept in RIE-Tool. Der Descum - Prozess ist ein kurz (&lt;30 sec) O &amp; sub2 ; -Plasma basierend etch restliche PMMA von der freiliegenden Gitterbereich zu entfernen. </li></ol></li><li> Beenden Sie die Au-Gitter, indem sie in das hergestellte Form Galvanik mit den folgenden Schritten. <ol><li> Achten Sie darauf, die Galvanik Gießformdickeneinstellungsverfahren durch Abtasten der Sonde eines Profilometers über den Rahmen für die Dickenbestätigung. </li><li> Tauchen Sie die Probe in die Au-Sulfit-Galvanisierungslösung auf 40 ° C. Die Galvanik-Setup besteht aus einem Becher mit dem ele gefüllt, die ausctroplating Lösung, eine Konstantstromgleichstromversorgung und einer Pt-Netzanode. </li><li> Bestimmung der Plattierungsfläche der Probe durch den freiliegenden Au Berechnung in dem belichteten Muster, dann berechnen, Strom für die gewünschte Stromdichte, die die primäre Variable verwendet, um die Abscheidungsrate einzustellen. </li><li> Berechnen Galvanisierungszeit, um die gewünschte Gitterdicke erreichen die Abscheidungsgeschwindigkeit durch die angelegte Stromdichte bestimmt. </li><li> Schalten Sie die Gleichstromversorgung des ermittelten Stroms auf der Probe angewendet wird, als eine Kathode wirkt, und die Platte etwa die Hälfte der Gesamtbeschichtungszeit. </li><li> Messen der Beschichtungsdicke die gleiche Methode verwendet, um in Schritt 2.8.1. </li><li> Schalten Sie die DC-Stromversorgung Au in die PMMA-Form und galvanisieren auf die gewünschte Gitterdicke zu galvanisieren, unter Berücksichtigung der plattierten Höhe in Schritt 2.8.6 gemessen. </li></ol></li><li> Entfernen Sie die Polymerform ein beheizbarer Lösungsmittel durch die Probe eingetaucht. Überprüfen Sie dann mit einem optical Mikroskop und einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) Gitterperiode, das Tastverhältnis und die Gitterdicke zu bestätigen. HINWEIS: Haben Sie zwei 2-D Schachbrettphasengitter (eine für das Experiment und eine als Reserve) bereit, ein paar Tage vor dem Experiment beginnt. </li></ol> 3. Versuchsaufbau und Ausrichtung an der Synchrotron-Strahlungsanlage <ol><li> Fordern Sie die beamline Wissenschaftler der Röntgenstrahlenergie oder Wellenlänge auf den gewünschten Wert einstellen, dass das Phasengitter entspricht. Routinemßig verwendeten Röntgenenergien im APS 1-BM-Strahllinie liegen zwischen 6 und 28 keV. In diesem Fall stimmen die Photonenenergie auf 18 keV. </li><li> Wählen Sie die gewünschte Objektivlinse für das Detektorsystem. Hier verwenden Sie einen Coolsnap HQ2 CCD - Detektor mit 1.392 × 1.040 Pixel Imaging von 6,45 × 6,45 &amp; mgr; m 2 Pixelgröße. Um das kleinste Interferenzmuster zu beheben, verwenden einen EC Plan Neofluar 10 × Ziel. Die effektive Pixelgröße des Detektorsystems einschließlich der VergrößerungsWirkung von mikroskopischen Ziel ist es also 0,64 um. Die geschätzte räumliche Auflösung beträgt etwa 2 &amp; mgr; m, was im Wesentlichen auf die Ausbreitungsfunktion des Detektorsystems Punkt. </li><li> So stellen Sie die raue des Detektorsystems konzentriert, stellen Sie den Szintillator (Lutetium-Yttrium Oxyorthosilikat, 150 &amp; mgr; m dick) auf der &quot;Arbeitsabstand&quot; von der Linse (~ 5,2 mm für das verwendete System). Zuerst stellen Sie den Fokus unter Umgebungslicht durch die Bilder der Überwachung unter &quot;Dauerbetrieb&quot; als Szintillator Position erworben wird ein pico-Motor eingestellt werden. </li><li> Bewegen, um die 2-D-Detektor in den Röntgenstrahl, durch Verwendung vertikalen und horizontalen Stufen in der Mitte des Detektors zur Strahlmitte ausrichten. </li><li> Legen Sie eine &quot;Phase Probe&quot;, zum Beispiel ein Stück Styropor, in den Röntgenstrahl. Führen Sie die Fein des Detektorsystems Fokussierung durch das Streumuster aus der Phase Probe zu beobachten und das Einstellen der Szintillator Position, bis die höchste Bildschärfe. </li> &lt;/ Ol&gt; 4. Durchführen von Messungen Coherence <ol><li> Platzieren Sie die 2-D Schachbrettgitter in den Röntgenstrahl in dem die Kohärenz des Strahls zu messen ist. In diesem Fall ist es auf 34 Meter vom Ablenkmagnet Quelle. </li><li> Stellen Sie die Ebene der 2-D schachbrettPhasenGitter zur Richtung des Röntgenstrahlenausbreitung senkrecht. </li><li> Zentrieren Sie das Gitter auf dem Röntgenstrahl, der durch die Motortische mit und Blick auf die Bilder unter Detektor kontinuierlichen Modus erworben. </li><li> Drehen des Gitters um die Röntgenstrahlausbreitungsrichtung (y) , so daß die Diagonalrichtung des Schachbrettmusters entlang der gewünschten Querstrahlrichtung ist. In diesem Fall werden die diagonalen Richtungen des Schachbrett (bevorzugte Messrichtungen) in den horizontalen und vertikalen Richtungen des Balkens ausgerichtet sind. Feinabstimmung die Gitter Drehungen um die anderen beiden Achsen (x und z) seine Rechtwinkligkeit der Röntgen , um sicherzustellen ,Strahl, der durch Maximieren des Interferogramms Perioden in horizontaler und vertikaler Richtung erzielt wird. </li><li> Bewegen des Detektorsystems so nah wie physikalisch möglich an der Phase entlang des Strahlausbreitungsrichtung Gitter. In dieser Studie verwenden, um einen Abstand von 43 mm. </li><li> Berechne die kleinste Periode in dem Interferenzmuster. Der π / 2 schachbrett mit Periode p = 4,8 &amp; mgr; m - Gitter wird ein Interferenzmuster mit p θ = 3,4 &amp; mgr; m und p θ = 2,4 &amp; mgr; m (kleinste Periode) entlang der Diagonalen und die nicht-diagonalen Richtungen des Schachbrettmusters bzw. erzeugen. Schätzen Sie die Anzahl der Datenpunkte benötigt in-zwischen V θ (d) Spitzenpositionen gegeben durch Gleichung (1) eine glatte Kurve zu erhalten. </li><li> Wählen Sie die gewünschte Belichtungszeit für jedes Interferogramm, 4 Sekunden in diesem Fall. </li><li> Record Interferogramme mit der gleichen Belichtungszeit (beispielsweise 4 sec) beiunterschiedliche Gitter-Detektor-Abstände. Wählen, um die Belichtungszeit auf der Grundlage der Strahlintensitätspegel. Ausgehend von der minimalen Gitter-zu-Detektor-Abstand (43 mm), bewegen sich auf den Detektor stromabwärts von der Röntgen durch kleine Intervalle (10 mm bestimmt basierend auf Schritt 4.6) und ein Interferogramm an jeder Detektorposition bis zur maximal möglichen gitter aufzeichnen to-Detektor-Abstand (750 mm). </li><li> Erwerben dunkel Frame-Bilder mit der gleichen Belichtungszeit (4 sec), aber drehen Sie den Röntgenstrahl ab und halten alle anderen experimentellen Bedingungen die gleiche. </li></ol> 5. Datenanalyse HINWEIS: Es gibt derzeit keine Standardsoftware für die Datenanalyse zur Verfügung. <ol><li> Unter Verwendung des ausgewählten Bildverarbeitungsprogramm, gelesen im Dunkeln Rahmenbild (n) und dem Datenbild. das Datenabbild Korrigieren Sie den (gemittelt) dunkelRahmenBild durch Subtraktion. </li><li> Fourier-Transformation der dunkel Rahmen korrigierte Bild, das sichtbare harmonische Spitzen in der Horizontalen erzeugt (52; = 0º), vertikal (θ = 90 °) und θ = 45 ° und θ = 135 ° -Richtungen. </li><li> Schneiden Sie das 0 - ter Ordnung harmonische Bild an der Spitze 0 - ter Ordnung zentriert. Die Länge und Breite des Bildes gleich den Abständen zwischen den 0 - ten und 1. Ordnung Peaks entlang der horizontalen und vertikalen Richtungen, respectively. In ähnlicher Weise erhalten die 1. Ordnung harmonische Bilder der gleichen Länge und Breite entlang der Querrichtung von Interesse. </li><li> Inversen Fourier-Transformation (IFT), um die beschnittene harmonische Bilder. Verhältnis der Mittelwert der Amplituden des IFT Bild aus der 1. Harmonischen Bildes entlang jeder Querrichtung zu der des IFT Bildes von dem 0 - ten Ordnung harmonische Bild gibt die Sicht entlang dieser Richtung. Man beachte, dass dieser Prozess gültig ist, wenn wenige Hochfrequenzkomponenten in dem gemessenen Interferogramm existieren. Andernfalls kann man die verwenden correchenden harmonischen Peakintensitäten der Fouriertransformierten Bilder aus Schritt 5.4 statt. Aufgrund der Strahldivergenz, werden die harmonischen Peakpositionen allmählich zu verschiedenen verändern Gitter-Detektor-Abstände. Daher &amp; theta; eine Korrektur p &#39;in jedem Abstand oder ein Spitzenfindungsprozess benötigt wird. </li><li> Wiederholen Sie Schritt 5.1-5.4 für alle gemessenen Bilder bei verschiedenen Gitter-Detektor-Abstände und die Sichtbarkeit Wert jedes Bild speichern. </li><li> Zeichnen Sie die Sichtbarkeit V θ (d) als Funktion des Gitters-Detektor - Abstand. Identifizieren Sie Datenpunkte bei V θ (d) Spitzen. Beachten Sie, dass die vollständige Kurve nur besser gemessen wurde, um die Spitzenpositionen durch Gleichung identifizieren (1). manuell auswählen Spitzendatenpunkte sowie benachbarte Datenpunkte auf beiden Seiten jeder Spitze. </li><li> Zeichnen Sie Gaußschen Anpassungsfunktion für die ausgewählten Datenpunkte. Extrahieren Sie die Standardabweichung, σ θ, von the Gaußschen Anpassungsfunktion. </li><li> Besorgen Sie sich die Querkohärenzlänge ξ θ, unter Verwendung von <img alt="Gleichung 5" src="/files/ftp_upload/53025/53025eq5.jpg" /></li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

5 zeigt die geschätzte Querkohärenzlänge entlang allen vier Richtungen. Offensichtlich hat die 90 ° -Richtung höher ξ θ im Vergleich zu 0 ° -Richtung. Da der Strahllinienoptik vernachlässigbaren Effekt auf die Strahlkohärenz am Gitter relative Position aufweist, ist die gemessene Kohärenzbereich mit dem Sourcebereich Größe umgekehrt proportional. Die dargestellte Röntgenstrahlkohärenz Meßtechnik ordnet diese genau , welche als eine Ellipse mit ihrer Hauptachse entlang...

Die dritte Generation des harten Röntgensynchrotronstrahlungsquellen, wie zum Beispiel die APS bei ANL, Lemont, IL, USA (http://www.aps.anl.gov), haben enorme Auswirkungen auf die Entwicklung der Röntgenwissenschaften hatte . Eine Synchrotron-Strahlungsquelle erzeugt ein Spektrum elektromagnetischer Strahlung, von Infrarot bis Röntgenwellenlängen, wenn geladene Teilchen, wie Elektronen, sind aus in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit in eine Kreisbahn zu bewegen. Diese Quellen haben sehr einzigartige Eigenschaften, wie hohe Helligkeit, gepulste und Pico-Sekunden Zeitstruktur und große räumliche und zeitliche Kohärenz. Röntgenstrahl räumliche Kohärenz ist ein wichtiger Parameter der dritten und vierten Generation Synchrotronquellen und die Anzahl der Versuche Verwendung dieser Eigenschaft zu machen hat sich in den vergangenen zwei Jahrzehnten dramatisch zugenommen 1. Die zukünftige Upgrades dieser Quellen, wie die geplante Multi-bend achromat (MBA) Gitter für das APS-Speicherring, den Strahl kohärenter Fluss dramatisch erhöhen (http: //www.aps.anl.gov/Upgrade/). Der Röntgenstrahl kann mit einem Kristall-Monochromator abgestimmt werden höhere zeitliche Kohärenz zu erreichen. Die transversale Kohärenz der Synchrotronquellen ist signifikant höher als die der Labor basierte Röntgenquellen aufgrund der geringen Elektronenstrahl Emittanz und langen Ausbreitungsstrecke von der Quelle bis zum Versuchsstation. Normalerweise wird Young&#39;schen Doppel Pinhole oder Doppelspalt - Experiment 2 verwendet , die räumliche Kohärenz des Strahls , der durch die Inspektion der Sichtbarkeit der Interferenzstreifen zu messen. Um die vollständige komplexe Kohärenzfunktion (CCF), systematische Messungen nötig sind, um mit den beiden Schlitzen an verschiedenen Positionen mit verschiedenen Trennungen gelegt, die, besonders für harte Röntgenstrahlung, umständlich und unpraktisch erhalten. Einheitlich Redundant Array (URA) kann auch für die Strahlkohärenz Messung verwendet werden , indem sie als Phasenverschiebungsmaske verwendet wird 3. Obwohl die Technik kann die volle CCF bietenEs ist nicht modellfrei. mit der Selbstabbildungseigenschaft der periodischen Objekte Unlängst wurden interferometrische Techniken auf Basis von Talbot-Effekt entwickelt. Diese Interferometern nutzen die Interferogramm Sichtbarkeit bei einigen Selbstabbildung Entfernungen gemessen hinter dem Gitter zum Erhalten der Strahlquer Kohärenz 4-9. Die Messungen der Quer Kohärenz zwei Gittersystem wird auch 7 berichtet. Abbilden des Querbalkens Kohärenz, gleichzeitig entlang der vertikalen und horizontalen Richtung wurde zuerst von JP Guigay et al. 5. Vor kurzem haben Wissenschaftler in der Optik - Gruppe, X-ray Science Division (XSD), von APS haben zwei neue Techniken berichtet messen Strahl quert Kohärenz entlang mehr als zwei Richtungen gleichzeitig mit zwei Methoden: eine mit einem Schachbrettphasengitter 8 und das andere mit einem kreisförmigen Phasengitter 9. In diesem Beitrag wird die measurement und Datenanalyseverfahren werden zum Erhalten des Quer Kohärenz des Strahls entlang der 0 °, 45 °, 90 ° und 135 ° Richtungen relativ zu der horizontalen Richtung gleichzeitig beschrieben. Die Messungen wurden mit einem Schachbrett π / 2-Phasengitter in der 1-BM-Strahllinie von APS durchgeführt. Die Einzelheiten dieser Technik in den Protokoll Abschnitten aufgeführt sind: 1) Planung des Experiments; 2) Herstellung der 2-d schachbrettPhasenGitter; 3) Versuchsaufbau und die Ausrichtung an der Synchrotronstrahlungsquelle; 4) Durchführung Kohärenz Messungen; 5) Datenanalyse. Darüber hinaus werden die repräsentativen Ergebnisse gezeigt, die Technik zu veranschaulichen. Diese Verfahren können mit einem Minimum an Änderungen an der Gitterdesign an vielen Synchrotronstrahllinien durchgeführt werden.

<table><tbody><tr><td>1-BM-B bending magnet X-ray source</td><td>Advanced photon Source/ Argonne National Lab</td><td></td><td>&lt;a href=&quot;http://www.aps.anl.gov/Xray_Science_Division/Optics/Beamline/&quot;&gt;http://www.aps.anl.gov/Xray_Science_Division/Optics/Beamline/&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>LYSO Scintillator</td><td>Proteus Inc</td><td></td><td>&lt;a href=&quot;http://www.apace-science.com/proteus/lyso.htm#top&quot;&gt;http://www.apace-science.com/proteus/lyso.htm#top&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>Coolsnap HQ2 CCD detector</td><td>Photometrics</td><td></td><td>&lt;a href=&quot;http://www.photometrics.com/products/ccdcams/coolsnap_hq2.php&quot;&gt;http://www.photometrics.com/products/ccdcams/coolsnap_hq2.php&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>ATC 2000 UHV sputtering deposition system</td><td>AJA International Inc</td><td></td><td>&lt;a href=&quot;http://www.ajaint.com/systems_atc.htm&quot;&gt;http://www.ajaint.com/systems_atc.htm&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>MICROPOSIT S1800 photoresist</td><td>Dow&amp;nbsp;</td><td></td><td></td></tr><tr><td>MICROPOSIT 351 developer</td><td>Dow&amp;nbsp;</td><td></td><td></td></tr><tr><td>MA/BA6 lithography system</td><td>SUSS MicroTec</td><td></td><td>&lt;a href=&quot;http://www.suss.com/en/products-solutions/products/mask-aligner/maba6/overview.html&quot;&gt;http://www.suss.com/en/products-solutions/products/mask-aligner/maba6/overview.html&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>Spin coater WS-400-6NPPB</td><td>Laurell Technologies Corporation</td><td></td><td>&lt;a href=&quot;http://www.laurell.com/spin-coater/?model=WS-400-6NPP-LITE&quot;&gt;http://www.laurell.com/spin-coater/?model=WS-400-6NPP-LITE&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>JBX-9300FS electron beam lithography system</td><td>JEOL</td><td></td><td>&lt;a href=&quot;http://www.jeolusa.com/PRODUCTS/PhotomaskDirectWriteLithography/ElectronBeamLithography/JBX-9500FS/tabid/245/Default.aspx&quot;&gt;http://www.jeolusa.com/PRODUCTS/PhotomaskDirectWriteLithography/ElectronBeamLithography/JBX-9500FS/tabid/245/Default.aspx&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>CS-1701 RIE system</td><td>Nordson March</td><td></td><td>&lt;a href=&quot;http://www.nordson.com/EN-US/DIVISIONS/MARCH/PRODUCTS/LEGACY/Pages/CS-1701-Anisotropic-RIE-Plasma-System.aspx&quot;&gt;http://www.nordson.com/EN-US/DIVISIONS/MARCH/PRODUCTS/LEGACY/Pages/CS-1701-Anisotropic-RIE-Plasma-System.aspx&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>Techni Gold 25E</td><td>Technic</td><td></td><td>&lt;a href=&quot;http://www.technic.com/eu/applications/industrial/industrial-chemistry/plating-chemistry&quot;&gt;http://www.technic.com/eu/applications/industrial/industrial-chemistry/plating-chemistry&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>Dektak-8 surface profiler</td><td>Bruker</td><td></td><td>&lt;a href=&quot;http://brukersupport.com/ProductDetail/1136&quot;&gt;http://brukersupport.com/ProductDetail/1136&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>MICROPOSIT 1165 remover</td><td>Dow&amp;nbsp;</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

measurement of x-ray beam coherence along multiple directions using 2-d checkerboard phase grating

Ein Verfahren für eine Technik, die transversale Kohärenz der Synchrotronstrahlung Röntgenquellen zur Messung eines einzelnen Phasengitter-Interferometer verwendet wird berichtet. Die Messungen wurden an der 1-BM Ablenkmagneteinheit-Strahlrohr der Advanced Photon Source (APS) am Argonne National Laboratory (ANL) unter Beweis gestellt. Durch die Verwendung eines 2-D schachbrett π / 2-Phasenverschiebungsgitter Querkohärenzlängen wurden entlang der vertikalen und der horizontalen Richtung als auch entlang der 45 ° und 135 ° -Richtungen zu der horizontalen Richtung erhalten wird. Nach den technischen in diesem Dokument angegebenen Details wurden Interferogramme an verschiedenen Positionen gemessen stromabwärts von der Phase entlang des Strahlausbreitungsrichtung Gitter. Visibility-Werte jedes Interferogramm wurden von der Analyse harmonischen Spitzen in seiner Fourier-transformierten Bild extrahiert. Folglich kann die Kohärenzlänge entlang jeder Richtung von der Entwicklung der Sichtweite in Abhängigkeit von der Gitter-to-detec extrahiert werdentor Abstand. Die gleichzeitige Messung von Kohärenzlängen in vier Richtungen der elliptischen Form der Kohärenzbereich des gaussförmigen Röntgenquelle identifizieren geholfen. Die berichtete Technik zur Mehrrichtungs Kohärenz Charakterisierung ist wichtig für die Auswahl der entsprechenden Stichprobengröße und der Orientierung sowie für die partielle Kohärenzeffekte in Kohärenz Streuexperimente korrigieren. Diese Technik kann auch für die Beurteilung der Kohärenz Konservierungsfähigkeiten Röntgenoptik angewendet werden.

Während detaillierte experimentelle und Simulationsergebnisse 8 an anderer Stelle gefunden werden konnte, nur dieser Abschnitt zeigt die Ergebnisse ausgewählt , um die oben genannten Mess- und Datenanalyseverfahren zu erläutern. Abbildung 1 stellt die Versuchsaufbau an der APS - 1-BM-B - Strahlrohr. Die Strahlgrße wird durch einen 1 × 1 mm 2 Schlitz angeordnet stromaufwärts des Doppelkristall Monochromator (DCM) und 25 m von der Biegemagnetquelle definiert. Das DCM ist mit de...

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Measurement of X-ray Beam Coherence along Multiple Directions Using 2-D Checkerboard Phase Grating

Das Messprotokoll und Datenanalyseverfahren zum Erhalten Quer Kohärenz einer Synchrotronstrahlungsröntgenquelle entlang von vier Richtungen gleichzeitig unter Verwendung eines einzigen 2-D schachbrettPhasenGitter gegeben. Diese einfache Technik kann für eine vollständige transversale Kohärenz Charakterisierung von Röntgenquellen und der Röntgenoptik angewendet werden.

Messung der Röntgenstrahl Coherence entlang mehreren Richtungen unter Verwendung von 2-D-Schachbrett Phase Grating

A procedure for a technique to measure the transverse coherence of synchrotron radiation X-ray sources using a single phase grating interferometer is ...

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Research

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Serie: Measurement of X-ray Beam Coherence along Multiple Directions Using 2-D Checkerboard Phase Grating

Measurement of Coherence Decay in GaMnAs Using Femtosecond Four-wave Mixing

The application of femtosecond four-wave mixing to the study of fundamental properties of diluted magnetic semiconductors ((s,p)-d hybridization, spin-flip scattering) is described, using experiments on GaMnAs as a prototype III-Mn-V system.&#160; Spectrally-resolved and time-resolved experimental configurations are described, including the use of zero-background autocorrelation techniques for pulse optimization.&#160; The etching process used to prepare GaMnAs samples for four-wave mixing experiments is also highlighted.&#160; The high temporal resolution of this technique, afforded by the use of short (20 fsec) optical pulses, permits the rapid spin-flip scattering process in this system to be studied directly in the time domain, providing new insight into the strong exchange coupling responsible for carrier-mediated ferromagnetism.&#160; We also show that spectral resolution of the four-wave mixing signal allows one to extract clear signatures of (s,p)-d hybridization in this system, unlike linear spectroscopy techniques.&#160;&#160; This increased sensitivity is due to the nonlinearity of the technique, which suppresses defect-related contributions to the optical response. This method may be used to measure the time scale for coherence decay (tied to the fastest scattering processes) in a wide variety of semiconductor systems of interest for next generation electronics and optoelectronics.

The technique of femtosecond four-wave mixing is described, including spectrally-resolved and time-resolved configurations. We illustrate the utility of this technique for the investigation of crucial physical properties in the III-V diluted magnetic semiconductors, afforded by its nonlinearity and high temporal resolution.

The application of femtosecond four-wave mixing to the study of fundamental properties of diluted magnetic semiconductors ((s,p)-d hybridization, ...

Forschung

Ingenieurwesen

Controlled Synthesis and Fluorescence Tracking of Highly Uniform Poly(N-isopropylacrylamide) Microgels

Stimuli-sensitive poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) microgels have various prospective practical applications and uses in fundamental research. In this work, we use single particle tracking of fluorescently labeled PNIPAM microgels as a showcase for tuning microgel size by a rapid non-stirred precipitation polymerization procedure. This approach is well suited for prototyping new reaction compositions and conditions or for applications that do not require large amounts of product. Microgel synthesis, particle size and structure determination by dynamic and static light scattering are detailed in the protocol. It is shown that the addition of functional comonomers can have a large influence on the particle nucleation and structure. Single particle tracking by wide-field fluorescence microscopy allows for an investigation of the diffusion of labeled tracer microgels in a concentrated matrix of non-labeled microgels, a system not easily investigated by other methods such as dynamic light scattering.

Controlled Synthesis and Fluorescence Tracking of Highly Uniform PolyN-isopropylacrylamide Microgels

Non-stirred precipitation polymerization provides a rapid, reproducible prototyping approach to the synthesis of stimuli-sensitive poly(N-isopropylacrylamide) microgels of narrow size distribution. In this protocol synthesis, light scattering characterization and single particle fluorescence tracking of these microgels in a wide-field microscopy setup are demonstrated.

Kontrollierte Synthese und Fluoreszenz-Tracking von Hoch Uniform Poly (<em&gt; N</em&gt; Isopropylacrylamid) Mikrogele

Stimuli-sensitive poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) microgels have various prospective practical applications and uses in fundamental research. In this ...

Chemie

Measurement of Quantum Interference in a Silicon Ring Resonator Photon Source

Silicon photonic chips have the potential to realize complex integrated quantum information processing circuits, including photon sources, qubit manipulation, and integrated single-photon detectors. Here, we present the key aspects of preparing and testing a silicon photonic quantum chip with an integrated photon source and two-photon interferometer. The most important aspect of an integrated quantum circuit is minimizing loss so that all of the generated photons are detected with the highest possible fidelity. Here, we describe how to perform low-loss edge coupling by using an ultra-high numerical aperture fiber to closely match the mode of the silicon waveguides. By using an optimized fusion splicing recipe, the UHNA fiber is seamlessly interfaced with a standard single-mode fiber. This low-loss coupling allows the measurement of high-fidelity photon production in an integrated silicon ring resonator and the subsequent two-photon interference of the produced photons in a closely integrated Mach-Zehnder interferometer. This paper describes the essential procedures for the preparation and characterization of high-performance and scalable silicon quantum photonic circuits.

Silicon photonic chips have the potential to realize complex integrated quantum systems. Presented here is a method for preparing and testing a silicon photonic chip for quantum measurements.

Die Messung der Quantum Interference in einem Silizium-Ring-Resonator Photon Source

Silicon photonic chips have the potential to realize complex integrated quantum information processing circuits, including photon sources, qubit ...

High-speed Continuous-wave Stimulated Brillouin Scattering Spectrometer for Material Analysis

Recent years have witnessed a significant increase in the use of spontaneous Brillouin spectrometers for non-contact analysis of soft matter, such as aqueous solutions and biomaterials, with fast acquisition times. Here, we discuss the assembly and operation of a Brillouin spectrometer that uses stimulated Brillouin scattering (SBS) to measure stimulated Brillouin gain (SBG) spectra of water and lipid emulsion-based tissue-like samples in transmission mode with &lt;10 MHz spectral-resolution and &lt;35 MHz Brillouin-shift measurement precision at &lt;100 ms. The spectrometer consists of two nearly counter-propagating continuous-wave (CW) narrow-linewidth lasers at 780 nm whose frequency detuning is scanned through the material Brillouin shift. By using an ultra-narrowband hot rubidium-85 vapor notch filter and a phase-sensitive detector, the signal-to-noise-ratio of the SBG signal is significantly enhanced compared to that obtained with existing CW-SBS spectrometers. This improvement enables measurement of SBG spectra with up to 100-fold faster acquisition times, thereby facilitating high spectral-resolution and high-precision Brillouin analysis of soft materials at high speed.

We describe the construction of a rapid continuous-wave-stimulated-Brillouin-scattering (CW-SBS) spectrometer. The spectrometer employs single-frequency diode-lasers and an atomic vapor notch-filter to acquire transmission spectra of turbid/non-turbid samples with high spectral-resolution at speeds up to 100-fold faster than those of existing CW-SBS spectrometers. This improvement enables high-speed Brillouin material analysis.

High-Speed-Dauerstrich-stimulierten Brillouin-Streuung Spektrometer für Materialanalyse

Recent years have witnessed a significant increase in the use of spontaneous Brillouin spectrometers for non-contact analysis of soft matter, such as ...

Generation and Coherent Control of Pulsed Quantum Frequency Combs

We present a method for the generation and coherent manipulation of pulsed quantum frequency combs. Until now, methods of preparing high-dimensional states on-chip in a practical way have remained elusive due to the increasing complexity of the quantum circuitry needed to prepare and process such states. Here, we outline how high-dimensional, frequency-bin entangled, two-photon states can be generated at a stable, high generation rate by using a nested-cavity, actively mode-locked excitation of a nonlinear micro-cavity. This technique is used to produce pulsed quantum frequency combs. Moreover, we present how the quantum states can be coherently manipulated using standard telecommunications components such as programmable filters and electro-optic modulators. In particular, we show in detail how to accomplish state characterization measurements such as density matrix reconstruction, coincidence detection, and single photon spectrum determination. The presented methods form an accessible, reconfigurable, and scalable foundation for complex high-dimensional state preparation and manipulation protocols in the frequency domain.

A protocol is presented for the practical generation and coherent manipulation of high-dimensional frequency-bin entangled photon states using integrated micro-cavities and standard telecommunications components, respectively.

Generation und kohärente Steuerung der gepulsten Quantum Frequenzkämmen

We present a method for the generation and coherent manipulation of pulsed quantum frequency combs. Until now, methods of preparing high-dimensional ...

Highly Resolved Intravital Striped-illumination Microscopy of Germinal Centers

Monitoring cellular communication by intravital deep-tissue multi-photon microscopy is the key for understanding the fate of immune cells within thick tissue samples and organs in health and disease. By controlling the scanning pattern in multi-photon microscopy and applying appropriate numerical algorithms, we developed a striped-illumination approach, which enabled us to achieve 3-fold better axial resolution and improved signal-to-noise ratio, i.e. contrast, in more than 100 &#181;m tissue depth within highly scattering tissue of lymphoid organs as compared to standard multi-photon microscopy. The acquisition speed as well as photobleaching and photodamage effects were similar to standard photo-multiplier-based technique, whereas the imaging depth was slightly lower due to the use of field detectors. By using the striped-illumination approach, we are able to observe the dynamics of immune complex deposits on secondary follicular dendritic cells &#8211; on the level of a few protein molecules in germinal centers.

High-resolution intravital imaging with enhanced contrast up to 120 &#181;m depth in lymph nodes of adult mice is achieved by spatially modulating the excitation pattern of a multi-focal two-photon microscope. In 100 &#181;m depth we measured resolutions of 487 nm (lateral) and 551 nm (axial), thus circumventing scattering and diffraction limits.

Hochaufgelöste Intravitalmikroskopie Striped-Beleuchtung von Keimzentren

Monitoring cellular communication by intravital deep-tissue multi-photon microscopy is the key for understanding the fate of immune cells within thick ...

Immunologie und Infektion

Shaping the Amplitude and Phase of Laser Beams by Using a Phase-only Spatial Light Modulator

The aim of this article is to visually demonstrate the utilization of an interferometric method for encoding complex fields associated with coherent laser radiation. The method is based on the coherent sum of two uniform waves, previously encoded into a phase-only spatial light modulator (SLM) by spatial multiplexing of their phases. Here, the interference process is carried out by spatial filtering of light frequencies at the Fourier plane of certain imaging system. The correct implementation of this method allows arbitrary phase and amplitude information to be retrieved at the output of the optical system.
It is an on-axis, rather than off-axis encoding technique, with a direct processing algorithm (not an iterative loop), and free from coherent noise (speckle). The complex field can be exactly retrieved at the output of the optical system, except for some loss of resolution due to the frequency filtering process. The main limitation of the method might come from the inability to operate at frequency rates higher than the refresh rate of the SLM. Applications include, but are not limited to, linear and non-linear microscopy, beam shaping, or laser micro-processing of material surfaces.

We show how to encode the complex field of laser beams by using a single phase element. A common-path interferometer is employed to mix the phase information displayed into a phase-only spatial light modulator to finally retrieve the desired complex field pattern at the output of an optical imaging system.

Gestaltung der Amplitude und Phase von Laserstrahlen durch den Einsatz einer Phase nur räumlichen Lichtmodulator

The aim of this article is to visually demonstrate the utilization of an interferometric method for encoding complex fields associated with coherent laser ...

X-ray Beam Induced Current Measurements for Multi-Modal X-ray Microscopy of Solar Cells

X-ray beam induced current (XBIC) measurements allow mapping of&#160;the nanoscale performance of electronic devices such as solar cells. Ideally, XBIC is employed simultaneously with other techniques within a multi-modal X-ray microscopy approach. An example is given herein combining XBIC with X-ray fluorescence to enable point-by-point correlations of the electrical performance with chemical composition. For the highest signal-to-noise ratio in XBIC measurements, lock-in amplification plays a crucial role. By this approach, the X-ray beam is modulated by an optical chopper upstream of the sample. The modulated X-ray beam induced electrical signal is amplified and demodulated to the chopper frequency using a lock-in amplifier. By optimizing low-pass filter settings, modulation frequency, and amplification amplitudes, noise can efficiently be suppressed for the extraction of a clear XBIC signal. A similar setup can be used to measure the X-ray beam induced voltage (XBIV). Beyond standard XBIC/XBIV measurements, XBIC can be measured with bias light or bias voltage applied such that outdoor working conditions of solar cells can be reproduced during in-situ and operando measurements. Ultimately, the multi-modal and multi-dimensional evaluation of electronic devices at the nanoscale enables new insights into the complex dependencies between composition, structure, and performance, which is an important step towards solving the materials&#39; paradigm.

A setup for X-ray beam induced current measurements at synchrotron beamlines is described. It unveils the nanoscale performance of solar cells and extends the suite of techniques for multi-modal X-ray microscopy. From wiring to signal-to-noise optimization, it is shown how to perform state-of-the-art XBIC measurements at a hard X-ray microprobe.

Röntgenstrahl-Induzierte Strommessungen für die multimodale Röntgenmikroskopie von Solarzellen

X-ray beam induced current (XBIC) measurements allow mapping of&#160;the nanoscale performance of electronic devices such as solar cells. Ideally, XBIC is ...

Spectral and Angle-Resolved Magneto-Optical Characterization of Photonic Nanostructures

Photonic crystals are periodic nanostructures that can support a variety of confined electromagnetic modes. Such confined modes are usually accompanied by local enhancement of electric field intensity that strengthens light-matter interactions, enabling applications such as surface-enhanced Raman scattering (SERS) and surface plasmon enhanced sensing. In the presence of magneto-optically active materials, the local field enhancement gives rise to anomalous magneto-optical activity. Typically, the confined modes of a given photonic crystal depend strongly on the wavelength and incidence angle of the incident electromagnetic radiation. Thus, spectral and angular-resolved measurements are needed to fully identify them as well as to establish their relationship with the magneto-optical activity of the crystal. In this article, we describe how to use a Fourier-plane (back focal plane) microscope to characterize magneto-optically active samples. As a model system, here we use a plasmonic grating built out of magneto-optically active Au/Co/Au multilayer. In the experiments, we apply a magnetic field on the grating in situ and measure its reciprocal space response, obtaining the magneto-optical response of the grating over a range of wavelengths and incident angles. This information enables us to build a complete map of the plasmonic band structure of the grating and the angle and wavelength dependent magneto-optical activity. These two images allow us to pinpoint the effect that the plasmon resonances have on the magneto-optical response of the grating. The relatively small magnitude of magneto-optical effects requires a careful treatment of the acquired optical signals. To this end, an image processing protocol for obtaining magneto-optical response from the acquired raw data is laid out.

Photonic band structure enables understanding how confined electromagnetic modes propagate within a photonic crystal. In photonic crystals that incorporate magnetic elements, such confined and resonant optical modes are accompanied by enhanced and modified magneto-optical activity. We describe a measurement procedure to extract the magneto-optical band structure by Fourier space microscopy.

Spektrale und winkelaufgelöste magneto-optische Charakterisierung photoischer Nanostrukturen

Photonic crystals are periodic nanostructures that can support a variety of confined electromagnetic modes. Such confined modes are usually accompanied by ...

Characterization of SiN Integrated Optical Phased Arrays on a Wafer-Scale Test Station

Optical phased arrays (OPAs) can produce low-divergence laser beams and can be used to control the emission angle electronically without the need for moving mechanical parts. This technology is particularly useful for beam steering applications. Here, we focus on OPAs integrated into SiN photonic circuits for a wavelength in the near infrared. A characterization method of such circuits is presented, which allows the output beam of integrated OPAs to be shaped and steered. Furthermore, using a wafer-scale characterization setup, several devices can easily be tested across multiple dies on a wafer. In this way, fabrication variations can be studied, and high-performance devices identified. Typical images of OPA beams are shown, including beams emitted from OPAs with and without a uniform waveguide length, and with varying numbers of channels. In addition, the evolution of output beams during the phase optimization process and beam steering in two dimensions is presented. Finally, a study of the variation in the beam divergence of identical devices is performed with respect to their position on the wafer.

Here, we describe the operation of a SiN integrated photonic circuit containing optical phased arrays. The circuits are used to emit low divergence laser beams in the near infrared and steer them in two dimensions.

Charakterisierung von Integrierten optischen Phasenarrays von SiN auf einer Wafer-Scale-Teststation

Optical phased arrays (OPAs) can produce low-divergence laser beams and can be used to control the emission angle electronically without the need for ...