Συνοπτική περιγραφή
Η έρευνα αυτή εστιάζει στην ανάπτυξη ενός καινοτόμου επιτραπέζιου συστήματος για ταχεία απεικόνιση νανοδομών, χρησιμοποιώντας σύμφωνη ακτινοβολία XUV που παράγεται μέσω αρμονικών υψηλής τάξης (HHG) σε αέρια. Σε αντίθεση με τις υπερμεγέθεις εγκαταστάσεις XFEL, το σύστημα αυτό λειτουργεί σε εργαστηριακή κλίμακα, υποστηρίζει αυτόματη εναλλαγή μηκών κύματος υπό κενό και επιτρέπει πολυφασματική απεικόνιση. Η τεχνολογία βασίζεται σε παλμούς femtosecond laser, οι οποίοι εστιάζονται σε semi-infinite κυψέλη ευγενούς αερίου (Ar, Kr, Xe), παράγοντας αρμονικές. Η επιλογή μήκους κύματος γίνεται με κάτοπτρα XUV, ενώ η ανάκτηση φάσης γίνεται με επαναληπτικούς αλγόριθμους. Το σύστημα αναγνωρίζεται για τις δυνατότητές του σε εφαρμογές νανοτεχνολογίας, μικροσκοπίας υπερυψηλής ανάλυσης και χρονο-απεικόνισης ultrafast διεργασιών
Keywords: Coherent Diffraction Imaging · High-order harmonic generation · Multispectral imaging · Ultrafast imaging · Coherent XUV radiation · Semi-infinite gas cell
Αναλυτική περιγραφή
Η παραγωγή σύμφωνης ακτινοβολίας XUV με ελεγχόμενα χαρακτηριστικά είναι κρίσιμη για τη σύγχρονη μικροσκοπία νανοδομών. Οι υπάρχουσες τεχνολογίες (XFEL, synchrotrons) απαιτούν τεράστιες επενδύσεις.
Η ερευνητική μας ομάδα ανέπτυξε μια επιτραπέζια προσέγγιση: Αυτοματοποιημένο σύστημα CDI πολλαπλών μηκών κύματος XUV βασισμένο στην παραγωγή υψηλών αρμονικών.
Αρχή λειτουργίας
-
Παραγωγή XUV: Παλμοί fs IR εστιάζονται κοντά σε οπή εξόδου ημιάπειρης κυψέλης με ευγενές αέριο. Η αλληλεπίδραση laser-αερίου παράγει comb αρμονικών στην XUV.
-
Φιλτράρισμα & επιλογή μήκους κύματος: Φίλτρο Al αφαιρεί την υπέρυθρη ακτινοβολία. Πολυστρωματικά κάτοπτρα XUV επιλέγουν την επιθυμητή φασματική περιοχή. Η κινητή πλατφόρμα επιτρέπει αυτόματη εναλλαγή μήκους κύματος υπό κενό.
-
Καταγραφή περίθλασης & ανάκτηση φάσης: Η μονοχρωματική δέσμη XUV προσπίπτει στο δείγμα. Το μακρινό πεδίο περίθλασης καταγράφεται από κάμερα XUV CCD. Η φάση ανακτάται αριθμητικά με επαναληπτικούς αλγόριθμους (HIO, Shrink-Wrap).
-
Πρόσθετες δυνατότητες: Φασματική παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο, απεικόνιση πλάσματος, λειτουργία σε υψηλές συχνότητες επανάληψης.
Μεθοδολογία
-
Πειραματική διάταξη τεσσάρων σταδίων: Ημιάπειρη κυψέλη (στάδιο Α) → Θάλαμος differential pumping (στάδιο Β) → Θάλαμος φιλτραρίσματος & επιλογής μήκους κύματος (στάδιο Γ) → Θάλαμος δείγματος και καταγραφής (στάδιο Δ).
-
Βελτιστοποίηση XUV: Μελέτη διαμέτρου δέσμης, θέσης εστίασης, σύγκριση αερίων (Kr για μεγαλύτερα μήκη κύματος, Ar για μικρότερα), έλεγχος chirp παλμών.
-
Αλγόριθμοι ανακατασκευής CDI: Εκκίνηση με τυχαία φάση, εφαρμογή περιορισμών, iterative shrinking support, τελική εικόνα στο πεδίο του χώρου.
Εφαρμογές και Βασικά Ευρήματα
Εφαρμογές
-
Μικροσκοπία νανοδομημένων υλικών (π.χ. οπές σε μεταλλικά φύλλα, περιοδικές δομές)
-
Πολυφασματική απεικόνιση για ταυτοποίηση υλικών και χημική χαρτογράφηση
-
Τομογραφία 3D υψηλής ανάλυσης (χάρη στη δυνατότητα λειτουργίας σε MHz)
-
Χρονο-απεικόνιση (time-resolved) ultrafast διεργασιών (fs έως ps)
-
Πιθανή επέκταση σε μαλακές ακτίνες Χ για απεικόνιση
Βασικά Ευρήματα
-
Το σύστημα παράγει σύμφωνη ακτινοβολία XUV σε δύο διακριτά μήκη κύματος, με δυνατότητα αυτόματης εναλλαγής.
-
Η ανακατασκευή της εικόνας από τα πρότυπα περίθλασης είναι εφικτή με υψηλή πιστότητα, αποκαλύπτοντας λεπτομέρειες υπο-μικρομετρικής κλίμακας.
-
Ο έλεγχος του chirp του laser επιτρέπει την εκλεκτική καταστολή της μεγάλης τροχιάς ηλεκτρονίων, οδηγώντας σε δέσμη XUV μικρής απόκλισης – ιδανική για απεικόνιση υψηλής ανάλυσης.
-
Σε υψηλές πιέσεις αερίου, το φάσμα αποκτά ψευδο-συνεχή μορφή, προσφέροντας δυνατότητα συνεχούς ρύθμισης μήκους κύματος.
Παραδείγματα
Σχηματική διάταξη του πειράματος CDI: Απεικόνιση CAD και φωτογραφίες των διαφορετικών σταδίων.
XUV φασματικές εικόνες αρμονικών (αριστερά) και οι αντίστοιχες εικόνες σχηματισμού πλάσματος (δεξιά) που μετρήθηκαν για διάφορες διάρκειες παλμών laser και πιέσεις αερίου Ar στην ημιάπειρη κυψέλη. Τα αρνητικά/θετικά πρόσημα των διαρκειών των παλμών laser αντιστοιχούν στο επιβαλλόμενο αρνητικό/θετικό chirp, αντίστοιχα.
CDI αποτελέσματα. Εικόνα SEM του αντικειμένου, πρότυπα περίθλασης για δύο διαφορετικά μήκη κύματος, ανακατασκευασμένες εικόνες στο πεδίο του χώρου.
Επιλεγμένες Δημοσιεύσεις
Petrakis, S., Skoulakis, A., Orphanos, Y., Grigoriadis, A., Andrianaki, G., Louloudakis, D., Kortsalidouakis, N., Tsapras, A., Balas, C., Zouridis, D., Benis, E.P., Tatarakis, M., Dimitriou, V., Papadogiannis, N.A. (2022). Coherent XUV Multispectral Diffraction Imaging in the Microscale. Applied Sciences, 12(20), 10592. https://doi.org/10.3390/app122010592
Petrakis, S., Bakarezos, M., Tatarakis, M., Benis, E.P., Papadogiannis, N.A. (2022). Spectral and Divergence Characteristics of Plateau High-Order Harmonics Generated by Femtosecond Chirped Laser Pulses in a Semi-Infinite Gas Cell. Atoms, 10(2), 53. https://doi.org/10.3390/atoms10020053
Petrakis, S., Bakarezos, M., Tatarakis, M., Benis, E.P., Papadogiannis, N.A. (2021). Electron quantum path control in high harmonic generation via chirp variation of strong laser pulses. Scientific Reports, 11, 23882. https://doi.org/10.1038/s41598-021-03424-3