Fakultätsbericht 2016-2017 der Physikalisch-Astronomischen Fakultät

68 — Forschung Lehrstuhl für Quantenelektronik Prof. Dr. Christian Spielmann Forschungsschwerpunkte  XUV Mikroskopie mit Laborquellen: Mikroskopie mit einer Auflösung im Bereich von wenigen 10nm durch Verwendung von kurzwelligen Lichtquellen, Entwicklung der Quellen und deren Charakterisie- rung, Implementierung neuer Methoden für linsenlose Mikroskopie  Nichtpertubative nichtlineare Optik in nanostrukturierten Proben: Multiphoton und Tunnelanregung von Nanolasern: Erzeugung von dichten und heißen Plasmen durch Wechselwirkung von nanostruk- turierten Proben mit intensiven Laserpulsen in einem weiten Spektralbereich, Röntgenspektroskopie an Plasmen  Nichtlineare Optik mit antiresonanten Hohlkernfasern: Charakterisierung von gasgefüllten Hohlkern- fasern, Superkontinuumsgeneration, Pulskompression, Ionisationsdynamik von molekularen Gasen mit ultrakurzen Pulsen bei Wellenlängen im mittleren IR  Spektroskopie von Plasmen bei FAIR: Entwicklung und Aufbau von Röntgenspektrometern zur Un- tersuchung von Plasmen geheizt mit Schwerionenstrahlen an der GSI und später bei FAIR Forschungsprojekt 1: XUV Mikroskopie Abb. 1. Linsenlose Bildgebung mit Ptychograpie: Die kohärente XUV Strahlung erzeugt an unterschiedlichen Positionen Beugungsbilder, aus denen das ausgedehn- te Objekt und die Beleuchtungsfunktion rekonstruiert werden können Optische Mikroskopie ist eine unverzichtbare Technologie für die Erforschung von mikroskopi- schen Strukturen. Allerdings können Nanoobjekte nicht untersucht werden, da die Auflösung durch die Wellenlänge der beleuchtenden Lichtquelle begrenzt ist. Mit der Verfügbarkeit von Synchro- tronen und in letzter Zeit Röntgen-Freie-Elektronen -Lasern ist nun eine Bildgebung mit Nanome- terauflösung möglich. Daneben haben sich XUV Laborquellen, die auf der nichtlinearen Frequenz- konversion von intensiven Laserpulsen in das XUV -Regime basieren, bewährt. Hier wurde besonders die Erzeugung Hoher Harmonischer intensiv unter- sucht, was die Erzeugung kohärenter kurzwelliger Strahlung in der XUV ermöglicht. Diese Quellen sind nicht nur kompakt, sondern bieten auch die Möglich- keit zur zeitaufgelösten Mikroskopie mit einer hohen zeitlichen Auflösung. Allerdings gibt es in diesem Spektralbereich keine Optiken mit hoher numerischer Apertur und geringen Verlusten. Daher wurde eine linsenlose mikroskopische Bildgebung entwickelt, die in der Literatur unter coherent diffraction imaging (CDI) bzw. ihrer Erweiterung der Ptychographie be- kannt ist. Beide beruhen auf hochmonochromati- schen, kohärenten und intensiven Lichtquellen. Aus den Beugungsbildern direkt hinter dem Objekt kann mit einem geeigneten Algorithmus sowohl das Objekt als auch die Intensität und Phasenverteilung der Pro- benbeleuchtung rekonstruiert werden. Dieser Ansatz wurde in den folgenden Experimenten erfolgreich ein- gesetzt:  In Kooperation mit dem IAP/FSU Jena wurde mit CDI eine Auflösung von 15nm demonstriert und an einer Implementierung von Ptychographie gearbei- tet.  Mittels hochauflösender Mikroskopie wurden ein- zelne Krebszellen, die vom UKJ Jena zur Verfü- gung gestellt wurden, klassifiziert.  In Kooperationen mit dem MBI Berlin, University of California Berkeley und LOA Paris wurde erfolg- reich der Einsatz von Röntgenlasern für CDI und Ptyhchographie demonstriert. Tadesse et al High speed and high resolution table-top nanoscale imaging Optics Letters 41 (22), 5170 (2016) Zürch et al., Transverse Coherence Limited Coherent Diffraction Imaging using a Molybdenum Soft X-ray Laser Pumped at Moderate Pump Energies Scientific Reports 7 (1), 5314 (2017)