Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung einer schmalbandigen, kurzwelligen, kohärenten Laserstrahlung für den Spektralbereich von EUV, XUV und weicher Röntgenstrahlung (im Folgenden kurz als XUV-Strahlung bezeichnet, welche vom Grundsatz die besagten anderen Spektralbereiche einschließt).

Die Erfindung schließt die Verwendung einer solchen schmalbandigen kohärenten Laserstrahlung als Beleuchtungsquelle für XUV-Imaging zur hochauflösenden Mikroskopie- Auswertung von Objektoberflächen, beispielsweise bei der Oberflächenveredlung, sowie zur Strukturuntersuchung der Beschaffenheit von Objekten, insbesondere chemischer, physikalischer, biologischer und medizinischer Proben, ein. Mit der vergleichsweise aufwandgeringen Generierung der sehr kohärenten, schmalbandigen Beleuchtungsstrahlung eröffnen sich hier Möglichkeiten, die XUV-Mikroskopie auch für medizinische Zwecke, beispielsweise klinische Routine- und Vorsorgeuntersuchungen, zu erschließen. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die XUV-Lithografie. Verwendungen ergeben sich insbesondere zur Untersuchung von biologischen Zellen, Bakterien und Viren, in der Material Wissenschaft zur Auswertung von Oberflächenbeschaffenheiten, inklusive Rauigkeit, und anorganischen Nanostrukturen, in der Maskeninspektion, in der EUV-Lithographie sowie bei der Waferinspektion im Rohzustand bzw. in strukturierter Form in der EUV-Lithographie.

Es ist bekannt (beispielsweise A. Barty et al.: Ultrafast single-shot diffraction imaging of nanoscale dynamics, Nature Photon. Vol. 2, 2008, 415-419 oder H. Chapman et al.: Femtosecond diffractive imaging with a soft-X-ray free-electron laser, Nature Photonics, Vol. 2, 2006, 839- 843) zur Erzeugung von XUV-Strahlung für die XUV-Mikroskopie einen Freie-Elektronen-Laser zu verwenden. Die verwendete Probe im Sinne der Mikroskopie ist dabei selbst die Blende. Es werden die grundsätzlichen Vorzüge der Verwendung kurzer Wellenlängen (hohe räumliche Auflösung) gezeigt. Jedoch ist die verwendete Strahlungsquelle eine von wenigen Großanlagen dieser Art weltweit. Der Betrieb und Aufbau ist äußerst kostspielig und die wissenschaftliche Verwendung in der breiten Praxis nahezu ausgeschlossen. Darüber hinaus ist in beiden Literaturquellen anschaulich dargestellt, dass aufgrund der hohen Strahlungsdosis selbst ein Festkörperobjekt, wie die Blende, sofort zerstört wird. Die Wellenlängenselektion ist ebenfalls nur sehr aufwendig möglich.

Es ist auch bekannt (B. Chen et al.: Multiple wavelength diffractive imaging, Physical Review A, Vol. 79, 2009, 23809-1 bis 23809-4), für die Mikroskopie eine Laserquelle mit höheren Harmonischen (HHG- Quelle) in einer ausgedehnten Gaszelle zu verwenden. Es erfolgt keine Refokussierung und auch keine Frequenzselektion. Ein Pinhole mit großem Durchmesser wird lediglich zur an sich bekannten Strahlbegrenzung verwendet (vgl. Fig. la in der Publikation). Wie weiter Fig. 2 anschaulich zeigt, gibt es aufgrund der vielen Wellenlängen unsaubere Merkmale im Beugungsbild einer Probe, somit ist der vorgestellte Aufbau bestenfalls zur Untersuchung passend hergestellter künstlicher periodischer Objekte geeignet. Das Objekt („Probe") ist hier wiederum selbst die Blende, wodurch die Untersuchung beliebiger Objekte nicht möglich ist. Eine saubere monochromatische Mikroskopie- Beleuchtung kann nicht gewährleistet werden.

Dierolf et al. (M. Dierolf et al.: Ptychographic X-ray computed tomography at the nanoscale, Nature 467, 2010, 436-439) zeigen in Fig. la der Literaturquelle die an sich bekannte und übliche Verwendung eines Pinholes, indem dieses mit seinem Durchmesser zur örtlichen Beschränkung und Beschneidung eines Lichtstrahls dient. Beugungen versucht man in der Regel zu vermeiden, insbesondere auch weil mit kleinen Blendenöffnungen viel Strahlungsenergie verloren wird. In dem vorgestellten Artikel wird ein teilkohärenter Strahl eines Beschleunigers verwendet. Damit kommt wiederum eine der bereits erwähnten aufwendigen Großanlagen mit den ebenfalls genannten Nachteilen für die Strahlungserzeugung zum Einsatz. Das Pinhole wird verwendet, um überhaupt einen definierten Strahl zu generieren. Die Kohärenzeigenschaften sind dabei eher schlecht. Auch von Eisebitt et al. (S. Eisebitt et al.: Soft X-ray holographic microscopy of chromosomes with high aspect ratio pinholes, Nature, Vol. 432, 2004, 885-888) wird eine wiederum aus Aufwandsgründen für die allgemeine Mikroskopie-Praxis kaum verwendbare Großanlage als Strahlungsquelle gezeigt. Hier werden zwei Pinholes zur Erzeugung einer Referenzwelle für holographische Zwecke verwendet, woraus ersichtlich ist, dass der Begriff 'Pinhole' in der Technik sehr allgemein verwendet wird. Ein erstes Pinhole mit einem Durchmesser von 20 μπι, was bei einer Wellenlänge von 1,59 nm um einen Faktor von ca. 12.000 größer ist, dient (wie bei den erwähnten Großanlagen üblich) im klassischen Sinn einer Blende ausschließlich zur strahlbegrenzenden Lichtselektion.

Ein zweites ebenfalls als 'Pinhole' bezeichnetes Loch befindet sich in der Objektebene und ist quasi Bestandteil des Objektes selbst, da es einfach in dem vorher selektierten Strahl steht. Streng genommen ist es auch eine Formblende, wie in den anderen Publikationen, nur eben, dass hier ein kleineres Loch genutzt wird, um eine für die Holografie notwendige Referenzwelle zu erzeugen. Das Loch hat somit einen komplett anderen Verwendungszweck und stellt quasi das Objekt selbst dar. Das ist eine Anwendung, die nur möglich ist, wenn ein definiertes Objekt in der gleichen Ebene wie dieses Pinhole liegt. Da hierfür gleich zwei Objekte beleuchtet werden müssen, sind sehr hohe Strahlungsdichten nötig, welche mit kompakten und möglichst aufwandgeringen HHG-Quelle nicht erreichbar sind. Somit erscheint auch hier eine breite kommerzielle Verwendung zur Mikroskopie beliebiger Objekte als nicht gegeben.

Bekannt ist auch (A. Ravasio et al.: Single-Shot Diffractive Imaging with a Table-Top Femtosecond Soft X-Ray Laser-Harmonics Source, Physical Review Letters, Vol. 103, 2009, 28104-1 bis 28104-5 oder R. Sandberg et al.: High numerical aperture tabletop soft x-ray diffraction microscopy with 70-nm resolution, PNAS, Vol. 105, 2008, 24-27) eine ausgedehnte Gaszelle als HHG-Quelle sowie einen Multilayer-Fokussierspiegel zu verwenden. Auch hier kommt wieder eine Formblende als Objekt zum Einsatz, d. h. der Verwendungszweck ist wiederum nur auf künstliche Formblenden beschränkt. Eine Beleuchtung eines beliebigen Objektes ist mit dem Aufbau nicht möglich. Es ist ferner von schlechten räumlichen Eigenschaften der HHG-Strahlung auszugehen, leider wird hierzu nichts erwähnt. Es wird sich lediglich auf hohe Strahlungsintensitäten bezogen. Mit dem Multilayer- Spiegel verwirkt man zusätzlich die Möglichkeit, Objekte mit verschiedenen Wellenlängen zu untersuchen.

In der US 2008/0069171 AI wird versucht, die Eigenschaften einer HHG-Strahlung mittels Gasentladung zu verbessern. Wie dort Fig. 5 zeigt sind die Spektren jedoch annähernd kontinuierlich, was dafür spricht, dass die Gastentladung überwiegt. Somit liegt vermutlich keine kohärente Strahlung vor. Darüber hinaus ist für mikroskopische Zwecke eine schmalbandige Quelle wünschenswert.

Der Aufbau gemäß US 2011/0007772 AI beschreibt eine für Phasematching optimierte Quelle zur Erzeugung einer HHG-Strahlung. Wie die Ausführungen zeigen, eignet sich das Verfahren zur Verstärkung und Phasematching von HHG-Strahlung, welche von langwelligen Lasern im Bereich >1 μπι erzeugt wird. Jedoch gibt es keine kommerziell verfügbaren Laser in diesem Wellenlängenbereich, daher ist auch hier die Verwendbarkeit als kompakte, aufwandgeringe Quelle für Beleuchtungszwecke in Frage gestellt, denn ein handelsüblicher Laser wäre erst hinsichtlich einer längeren Wellenlänge zu konvertieren, um die genannten Vorteile zu erreichen.

In WO 01/86763 AI wird ein Frequenzkonverter vorgestellt, der zirkulär polarisiertes HHG-Licht erzeugen soll. Eine solche Quelle bietet keinerlei Vorzüge für die Mikroskopie. Der Aufwand mit flüssiger Heliumversorgung sowie die Verwendung von Nanotubes stehen in keinem Verhältnis zum Nutzen. Es werden im Übrigen keinerlei Aussagen zu Spektren bzw. Strahleigenschaften getroffen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit möglichst geringem Aufwand eine kompakte, robuste sowie einfach aufzubauende und zu justierende XUV-Strahlungsquelle mit räumlich und zeitlich höchst kohärenter und schmalbandiger Strahlungscharakteristik zu schaffen. Die XUV- Strahlungsquelle soll als Beleuchtungsquelle zur hochauflösenden Mikroskopie von Objekten, insbesondere chemischer, physikalischer, biologischer und medizinischer Proben, geeignet sein.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Erzeugung einer schmalbandigen, kurzwelligen, kohärenten Laserstrahlung, insbesondere für XUV-Mikroskopie, bei welchem Laserlicht in seiner Frequenz vervielfacht und nach Frequenzvervielfachung aus der entstehenden kurzwelligen Laserstrahlung ausgefiltert sowie die kurzwellige Las er Strahlung wellenlängenselektiert werden, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Laserlicht zum Zweck seiner Frequenzvervielfachung auf ein geschlossenes mit Edelgas gefülltes Röhrchen fokussiert wird, durch welches das Laserlicht einen räumlich eng begrenzten Durchgangskanal selbst erzeugt, und dass die aus dem Röhrchen austretende frequenzvervielfachte Laserstrahlung auf ein Pinhole refokussiert wird, mit welchem ungeachtet der Intensität der zu erzeugenden kohärenten Laserstrahlung eine Beugung der hindurchtretenden Laserstrahlung bezweckt wird.

Bei einer entsprechenden Vorrichtung mit einem einer Laserlichtquelle, einem nachgeordneten Frequenzvervielfacher sowie mit einem Filter zur Ausfilterung des ursprünglichen Laserlichts, wird vorschlagsgemäß zum Zweck der Frequenzvervielfachung der Strahlengang der Laserlichtquelle auf ein geschlossenes Gasröhrchen, insbesondere gefüllt mit Edelgas, fokussiert, wobei der Strahlengang einen räumlich begrenzten Durchgangskanal durch das Gasröhrchen selbst erzeugt. Hinter dem Gasröhrchen sind Mittel angeordnet zur Refokussierung der aus dem Durchgangskanal des Gasröhrchens austretenden Strahlung auf ein Pinhole mit überwiegend lichtbeugender Eigenschaft, dessen Durchmesser wesentlich kleiner als der Fokus ist, sowie zur Wellenlängenselektion der auf das Pinhole fokussierten frequenzvervielfachten Strahlung.

Die Mittel zur Refokussierung und Wellenlängenselektion der aus dem Durchgangskanal des Gasröhrchens austretenden Strahlung können aus zumindest einem nicht ebenen Spiegel, beispielsweise ein gekrümmter Spiegel mit metallischer Beschichtung, insbesondere Gold, der ein optisches Gitter aufweist oder mit einem solchen in Verbindung steht, bestehen. Sie können aber auch durch wenigstens einen gekrümmten Multilayerspiegel oder durch zumindest einen nicht ebenen Kristall, der zwecks Erfüllung der Bragg-Bedingung einen hohen Netzabstand aufweist, realisiert sein.

Es ist vorteilhaft, wenn das Pinhole zum Zweck der Wellenlängenauswahl in der Fokusebene relativ zur Strahlführung verfahrbar angeordnet ist, was eine sehr gute, aufwandgeringe sowie bedienungstechnisch universell und gut handhabbare Auswahl des Spektralbereiches ermöglicht.

Es ist ein Merkmal der Erfindung, ein sehr kleines Pinhole zu verwenden, dessen Durchmesser kleiner als der Strahlfokus ist, um mit der bewusst überwiegend beugenden Eigenschaft dieses kleinen Pinholes eine sehr kohärente Strahlung zu erzeugen, die sich sehr vorteilhaft als sehr kurzwellige, schmalbandige und kohärente Beleuchtungsquelle für die XUV-Mikroskopie eignet. Aus diesem Grund ist das Pinhole ungeachtet des damit verbundenen Intensitätsverlustes der Strahlung, was eigentlich in der Praxis nachteilig wäre, im Gegensatz zu üblichen und eingangs beschriebenen Anwendungen vorschlagsgemäß überraschend klein gewählt.

Infolge der Beugung am optischen Gitter ist die erste Beugungsordnung spektral aufgespaltet, d. h. man kann die Harmonischen-Ordnungen trennen. Jede Harmonische selbst hat aber auch eine gewisse Bandbreite (Zehntel-Nanometer Bereich), die dazu führt, dass die jeweilige Harmonische im Fokus ebenfalls leicht spektral aufgespaltet ist. Mit der besagten überraschend kleinen Durchgangsöffnung (kleiner als der jeweilige Fokus) kommt es somit zu einer zusätzlichen Monochromatisi erung .

Die an sich bekannte naturgegebene örtlich einschränkende und strahlbegrenzende Wirkung des Pinholes ist lediglich ein Nebeneffekt der Erfindung, mit welcher das Pinhole vielmehr zur Kohärenzverbesserung der XUV-Strahlung eingesetzt wird. Die damit verbundene Intensitätseinschränkung ist für die Verwendung der Vorrichtung als XUV-Beleuchtungsquelle in der Mikroskopie sogar vorteilhaft, da mit der geringeren Strahlungsintensität nunmehr insbesondere auch biologische und medizinische Proben, wie biologischen Zellen, Bakterien und Viren, zerstörungsfrei und beschädigungsarm untersucht werden können.

Durch Entfernen der Filter, mit denen bekannter Weise die Grundwellenlänge des Laserlichts (nicht nur aus Intensitätsgründen) spektral geblockt wird, wäre bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Einzelfall ohne erhöhten Aufwand sogar der Betrieb im Spektralbereich der Grundwellenlänge möglich.

Es ist ein weiteres Merkmal der Erfindung, die Frequenzvervielfachung des Laserlichts durch Fokussierung auf das geschlossene Gasröhrchen, gefüllt mit Edelgas, zu bewirken, wobei sich das fokussierte Laserlicht den Durchgangskanal durch das Gasröhren mit seinem Durchbruch durch dasselbe eigens schafft. Die Ausgangsstrahlung aus dem Gasröhrchen wird auf das vorgenannte Pinhole zur Kohärenzverbesserung fokussiert. Mittel hierzu sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Auf diese Weise wird eine XUV-Strahlungsquelle geschaffen, deren Strahlführung aufwandgering und dauerhaft stabil justierbar ist und eine örtlich wie zeitlich sehr kohärente Strahlung erzeugt. Somit kann die Strahlungsquelle im Vergleich zu den eingangs genannten teuren Großanlagen (Teilchenbeschleuniger) als in der Praxis breit einsetzbare kompakte, robuste sowie einfach aufzubauende und in Betrieb zu nehmende Vorrichtung mit einem kommerziell verfügbaren Laser, beispielsweise im Spektralbereich von 800 nm, zur kohärenten XUV- Beleuchtung in der Mikroskopie eingesetzt werden.

Die genannten Vorteile der Erfindung zur aufwandgeringen, kompakten Erzeugung einer schmalbandigen, kurzwelligen, kohärenten Laserstrahlung als XUV-Beleuchtungsquelle erschließen nicht nur in der Materialwissenschaft, in der Oberflächentechnik sowie in der EUV- Lithografie, sondern insbesondere auch für medizinische Vorsorge- und Routineuntersuchungen prädestinierte Einsatzmöglichkeiten mit breitem

Anwendungsprofil auch für kleinere Einrichtungen.

Spezielle Verwendungen sind in den Unteransprüchen genannt.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 : Prinzipdarstellung der Vorrichtung mit der vorgeschlagenen Frequenzvervielfachung und Refokussierung auf ein erfindungsgemäß überwiegend strahlungsbeugendes Pinhole

Fig. 2: Vergrößerte Darstellung des Frequenzvervielfachers mit nachfolgender Filtereinheit aus Fig. 1 mit dem erfindungsgemäßen Gasröhrchen zur Erzeugung einer HHG- Strahlung

Fig. 3: Vergrößerte Darstellung der Beleuchtungs- und Probeneinheit aus Fig. 1 zur Verwendung der erzeugten HHG-Strahlung als Beleuchtungsquelle für die XUV-Mikroskopie von Proben

Fig. 4: Schematische Darstellung mehrerer Foki unterschiedlicher Wellenlänge in der Brennebene des torisch gekrümmten Spiegels aus Fig. 1

In Fig. 1 ist ein schematisches Übersichtsbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung einer schmalbandigen, kurzwelligen, kohärenten Laserstrahlung als Punktstrahlungsquelle für die XUV- Mikroskopie dargestellt.

Ein aus Übersichtsgründen nicht dargestellter kommerziell verfügbarer Femtosekundenlaser mit einer Zentralwellenlänge von 800 nm und einer Bandbreite von 55 nm erzeugt Laserpulse 1 einer Pulsenergie von ca. 700 μί bei einer Wiederholrate von 1kHz. Die Pulsdauer wurde per Autokorrelation auf unter 30 Femtosekunden bestimmt.

Diese Laserpulse 1 werden mit einer Fokussieroptik 2 (f/#=14 bei 40 cm Brennweite) auf ein geschlossenes Nickelröhrchen 3 fokussiert, welches sich in einem Vakuumsystem 4 mit einem Unterdruck von < 10 ^"5 mbar befindet, dem ein Frequenzvervielfacher 5 mit einem für die Laserpulse 1 durchlässigen Lichteintrittsfenster 6, welcher zur Vermeidung von Dispersion (zeitliche Pulsstreckung) möglichst dünn ausgeführt ist (im Beispiel 500 μιη dick).

Das dünnwandige Nickelröhrchen 3, welches im Frequenzvervielfacher 5 in einer Positioniereinrichtung 7 zur Feinjustierung aufgenommen, gehaltert und relativ zur Strahlung der Laserpulse 1 positioniert wird, besitzt einen Außendurchmesser von ca. zwei Millimetern und ist am Ende verlötet sowie auf ca. 1 mm flachgequetscht. Diese Stelle bietet den fokussierten Laserpulsen 1 gute Bedingungen, sich selbst ein Durchgangsloch durch das Nickelröhrchen 3 zu bohren.

Für den Prozess der sogenannten Generierung Hoher Harmonischer (HHG) ist das Nickelröhrchen 3 mit einem Arbeitsgas, beispielsweise Argon oder Neon, gefüllt, welches mittels aktivem und über einen Gasschlauch 8 an ein Gasreservoir 9 angeschlossenes Rückkoppelventil 10 auf einen Druck zwischen 1 mbar und 300 mbar eingestellt werden kann; typische Drücke liegen im Bereich zwischen 60 mbar und 180 mbar. Das aktive Rückkoppelventil 10 besteht (aus Übersichtsgründen nicht explizit dargestellt) aus einem Nadelventil sowie einem Gasdrucksensor mit aktiver Rückkopplung auf das Nadelventil zur präzisen Einstellung des Drucks im Nickelröhrchen 3 und steht über eine Gaszuleitung 1 1 sowie eine drucksichere Vakuumdurchführung 12 des Frequenzvervielfachers 5 mit dem in der Positioniereinrichtung 7 aufgenommenen Nickelröhrchen 3 in Verbindung.

Durch die stark nicht-linearen optischen Effekte des HHG-Prozesses werden ungeradzahlige Vielfache der Grundfrequenz der Laserpulse 1 bis in den weichen Röntgenbereich erzeugt. Vom Prinzip eignet sich zur Füllung des Nickelröhrchens 3 jedes Arbeitsgas, welches je nach den Parametern der Laserpulse 1 ermöglicht, bei der Frequenzvervielfachung unterschiedliche Wellenlängenbereiche für eine aus dem Nickelröhrchen 3 austretende Strahlung 13 abzudecken.

Die Strahlung 13, mit welcher man quasi einen EUV-, XUV- bzw. Röntgenlaser erhält, ist zeitlich und räumlich hochkohärent und besitzt insbesondere in Bezug auf Pulsdauer und Kohärenz alle Eigenschaften der anregenden Laserpulse 1. Aus diesem Grund kann der Frequenzvervielfacher 5 auch als Erzeugereinheit der gewünschten kurzwelligen, kohärenten Laserstrahlung bezeichnet werden.

Dem Frequenzvervielfacher 5 nachangeordnet ist eine zweistufige Filtereinheit 14 mit zwei je 200 nm dicken kaskadierten Dünnfilm- Aluminiumfolien 15, 16 ebenfalls im Vakuumsystem 4 angeordnet sind, so dass die aus dem Nickelröhrchen 3 austretende Strahlung 13 in einem für das Vakuumsystem 4 offenen Lichtaustrittskanal 17 des Frequenzvervielfachers 5 auf die Filtereinheit 14 mit den beiden Aluminium-Folien 15, 16 trifft.

Die Filtereinheit 14 wird im vorliegenden Beispiel für Strahlung von ca. 80 nm bis 17 nm transparent. Dadurch werden von der Strahlung 13 zwar die Harmonischen ab der 11. Ordnung der ursprünglichen Laserpulse 1 durchgelassen, die Grundwellenlänge derselben (ca. 800 nm) hingegen vollständig geblockt. Die Filtereinheit 14 ist erforderlich, da eine durch die besagte Frequenzvervielfachung erzeugte und anteilig in der Strahlung 13 enthaltene HHG-Strahlung 13' um viele Größenordnungen schwächer ist als die ebenfalls noch in der Strahlung 13 vorhandene IR-Strahlung der Laserpulse 1 (Grundstrahlung 13"), welche nachgeordnete Elemente, einschließlich einer durch XUV-Mikroskopie zu untersuchenden Probe, gefährden bzw. zerstören würde.

Die Filtereinheit 14 könnte in der Praxis beispielsweise durch eine 200 nm dicken AI-Folie, welche in an sich bekannter Weise auf einen Halbzoll-Ring gespannt und längs im Strahlengang der Strahlung 13 angeordnet ist, wobei mit den beiden Strahlungsdurchgängen jeweils durch die Bahn des Halbzollrings die beiden Dünnfilm- Aluminiumfolien 15, 16 realisiert werden (aus Übersichtsgründen nicht explizit dargestellt).

Zur Refokussierung der separierten HHG-Strahlung 13' auf ein Pinhole 18 in einer Beleuchtungs- und Probeneinheit 19 ist im Strahlengang der HHG-Strahlung 13' hinter der Filtereinheit 14 eine Refokussiereinheit 20 vorgesehen. Sowohl die Beleuchtungs- und Probeneinheit 18 als auch die Refokussiereinheit 19 unterliegen, wie auch der Frequenzvervielfacher 5 und die Filtereinheit 14 dem Vakuumsystem 4 und stehen deshalb durch dafür offene Vakuumkanäle 21, 22 in Verbindung.

Die Refokussierung der HHG-Strahlung 13' erfolgt mit einem torisch gekrümmten Spiegel 23 mit Goldbeschichtung (ohne Schutzschicht), dessen Brennweite ca. 34 cm beträgt. Damit beträgt der Abstand des torisch gekrümmten Spiegels 23 zum Nickelröhrchen 3 ca. 68 cm (2f). Der Einfallswinkel auf den torisch gekrümmten Spiegel 23 beträgt 4,4 °, dessen Reflexionsstrahl 24 auf ein im Abstand weniger Zentimeter hinter dem torisch gekrümmten Spiegel 23 angeordnetes optisches Gitter 25 für die spektrale Strahlenseparation gerichtet ist. Durch das schwach beugende Gitter 25 werden die vielen vorhandenen Wellenlängen der HHG-Strahlung 13' (alle ungeradzahligen Harmonischen der Grundwellenlänge der Laserpulse 1), welche durch die Filtereinheit 14 transmittieren konnten, räumlich aufgespalten und man erhält in der Brenneben des torisch gekrümmten Spiegels 23 jeweils einen örtlich separierten Fokus für jede Wellenlänge (vgl. Fig. 4). Die Foki liegen in der Brenneben ca. 100 μπι örtlich auseinander und können durch Justierung der HHG-Strahlung 13' bzw. des Pinholes 18 jeweils selektiert werden.

Die Gitterlinien liegen parallel zur Waagerechten, zu welcher die Vorrichtung gelagert ist, d. h. die spektrale Aufspaltung der HHG- Strahlung 13' erfolgt in senkrechten Ebene. Das optische Gitter 25 weist 133 Linien/mm auf und wird von der HHG-Strahlung 13' ebenfalls streifend unter ca. 4° getroffen.

Außerdem ist das optische Gitter 25 geblazet, d. h. durch die Form der Furchen wird die erste Beugungsordnung vom Gitter 25 bevorzugt.

Als torisch gekrümmter Spiegel 23 und/oder als optisches Gitter 25 kann beispielsweise (in der Zeichnung nicht explizit dargestellt) wenigstens ein nicht ebener Kristall verwendet werden, der zwecks Erfüllung der Bragg-Bedingung einen hohen Netzabstand aufweist.

Das Pinhole 18 besitzt einen Durchmesser von 5 μπι und befindet sich ebenfalls im Abstand 2f von dem torisch gekrümmten Spiegel 23. Folglich wird die HHG-Quelle (Ausgang des Nickelröhrchens 3) 1 : 1 auf das Pinhole 18 abgebildet. Bei einem Quelldurchmesser von typischerweise 40 μιη ergibt sich ein ebenso großer Fokus auf dem Pinhole 18, welches mit seinem besagten wesentlich kleineren Durchmesser folglich den Strahl extrem beschneidet und eine weit überwiegend beugende Funktion aufweist. Hinter dem Pinhole 18 lässt sich die Strahlausbreitung dadurch mit einer schmalbandigen, kohärenten XUV-Kurzpuls-Punktquelle vergleichen welche hervorragend für Beleuchtungszwecke, speziell auch in der XUV- Mikroskopie, geeignet ist.

Fig. 3 zeigt zu diesem Zweck eine vergrößerte Darstellung der Beleuchtungs- und Probeneinheit 19 mit einem Probenhalter 26 zur Aufnahme einer XUV-mikroskopisch zu untersuchenden biologischen, medizinischen, chemischen bzw. physikalischen Probe (aus Ubersichtsgründen nicht explizit dargestellt), welcher ebenfalls zur Justierung der aufgenommen Probe x-y-z-verfahrbar angeordnet ist (symbolisiert durch einen Motor 27 sowie Pfeildarstellung 34). Ebenfalls wäre für die dargestellte Reflexionsanordnung eine verstellbare Neigung und Kippung sinnvoll, um das Streubild der Probe auf der Kamera 30 zu zentrieren.

Die auf das Pinhole 18 fokussierte HHG-Strahlung 13' wird an diesem gebeugt und beschnitten, so dass das Pinhole 18 als schmalbandige, kohärente Punktstrahlungsquelle für die XUV-Mikroskopie dient, deren Beleuchtungsstrahlung 28 auf die vom Probenhalter 26 aufgenommene Probe trifft. Mit der Beleuchtungsstrahlung 28 wird in Reflexion von der beleuchteten Probe ein Streubild erzeugt, welches über die Detektion einer Reflexionsstrahlung 29 zur Auswertung mit einem Detektor 30, beispielsweise eine Kamera, ortsaufgelöst detektiert wird. Ein weiterer Detektor 31 dient zur Justierung der vom Probenhalter 26 aufgenommenen Probe und ist in der Strahl Verlängerungsrichtung der aus dem Pinhole 18 austretenden Beleuchtungsstrahlung 28 angeordnet. Bei aus der Beleuchtungsstrahlung 28 entnommenen Probenhalter 26 können so das Pinhole 18 kontrolliert bzw. lagejustiert sowie bei bekannter Geometrie aus den Beugungsringen (sogenannte Airy- Scheibchen) der Beleuchtungsstrahlung 28 deren Wellenlänge bestimmt werden.

Bei einem transparenten Substrat (Probenhalter 26), auf dem sich die Probe befindet, könnte der Detektor 31 auch für eine Transmissionsmessung der Probe zu Auswertezwecken genutzt werden (in der dargestellten Reflexionsanordnung der Zeichnung nicht dargestellt). Eine solche Transmissionsmessung wäre beispielsweise für XUV-Wellenlängen durchlässige Materialien, wie dünne Si3N4-Wafer, denkbar.

Nach Justierung des Pinholes 18 wird der Probenhalter 26 mit der aufgenommenen Probe in der Beleuchtungsstrahlung 28 angeordnet, wodurch diese in Reflexion auf den Detektor 30 abgelenkt wird. Dieser ist im Beispiel als 2" x 2" große kommerziell verfügbare CCD-Matrix mit 4 Megapixel Auflösung (2048 x 2048 Pixel) und einer Pixel große von 13,5 x 13,5 μιη realisiert. Der Abstand des Detektors 30 vom Probenhalter 26 mit der Probe wird so eingestellt, dass die CCD-Matrix des Detektors 30 gut von dem an der Probe gestreuten Licht beleuchtet wird, typischer Weise ein Abstand im Bereich von 10 cm bis 2 m, je nach gewählter Größe des Pinholes 18. Die CCD-Matrix des Detektors 30 wird im Beispiel auf -70°C gekühlt, um thermisches Rauschen zu minimieren (aus Aufwandsgründen nicht in der Zeichnung dargestellt).

Pinhole 18 und der Probenhalter 26 mit der Probe werden so justiert, dass die Reflexions Strahlung 29 von der Probe mittig auf den Detektor 30 fällt. Mittels der x-y-z-Positioniereinheit für den Probenhalter 26 (symbolisiert durch den Motor 27) kann dessen Probe komplett durch die Beleuchtungsstrahlung 28 abgescannt werden.

Um das Pinhole 18 im Fokus der HHG-Strahlung 13' justieren zu können sowie zur Selektion des wellenlängenspezifischen Fokus der HHG- Strahlung 13' ist das Pinhole 18 mittels einer x-y-z- Steuerung 32 in der Brennebene des torisch gekrümmten Spiegels 23 sowie in Richtung der HHG-Strahlung 13' (wie durch Pfeildarstellung 33 symbolisiert) verfahrbar. Alle zur Justierung und Bewegungssteuerung genannten Elemente sind vorzugsweise elektrisch bewegbar und mit sogenannten Piezostellantreiben ausgerüstet. Dadurch werden Schrittgrößen von ca. 30 nm und Wiederholgenauigkeiten von ca. 500 nm erreicht. Durch die elektrische Steuerung sind die Stellantriebe gut von außen (außerhalb des Vakuumsystems 4) bedienbar.

Für die Beleuchtungstrahlung 28 wird die HHG-Strahlung 13' vom Pinhole 18 extrem gebeugt, so dass die aus demselben austretenden Strahlen räumlich auseinander laufen (vgl. Fig. 4). Es wäre deshalb vorteilhaft, den relativen Abstand zwischen dem Pinhole 18 und dem Probenhalter 26 mit der Probe verstellbar zu gestalten (vgl. x-y-z- Steuerung 32 und/oder x-y-z-Positioniereinheit für den Probenhalter 26 (symbolisiert durch den Motor 27), wodurch die Größe der beleuchteten Probenfläche variiert und somit letztendlich auch die Vergrößerung des XUV- Mikroskops eingestellt werden könnte.

Eine Besonderheit der Vorrichtung ist, dass der Aufbau auch in der nullten Beugungsordnung des optischen Gitters 25 betrieben werden kann. Schwächt man die Laserpulse 1 im Vorfeld aus Schutzgründen stark ab (mindestens um den Faktor 1000) und entfernt die somit hinfällige Filtereinheit 14, so trifft diese Grundwellenlänge zum Pinhole 18 und stünde dort im Bedarfsfall für Messungen zusätzlich zur Verfügung, ohne die Vorrichtung wesentlich umzurüsten oder andere Vorrichtungen einsetzen zu müssen (ebenfalls aus Übersichtsgründen nicht in der Zeichnung dargestellt).

Interessant wäre dies für zur Fluoreszenzanregung von Proben, da viele chemischen Stoffe für die gewählte IR-Grundfrequenz von 800 nm Fluoreszenz aufweisen. Zusätzlich zur beschriebenen XUV-Mikroskopie wäre somit durch Einbeziehung eines Spektrometers auch die Vermessung der Fluoreszenz dieser Proben möglich.

Fig. 4 zeigt schematisch den Einfall der HHG-Strahlung 13' mit ihren Harmonischen 35 (λ,), 36 (λ ₂ ), 37 (λ ₃ ), 38 (λ ₄ ), 39 (λ ₅ ), 40 (λ^) der ersten Beugungsordnung sowie mit ihrer Harmonischen 41 der nullten Beugungsordnung auf das in der Brennebene des torisch gekrümmten Spiegels 23 (vgl. Fig. 1) angeordnete Pinhole 18. Die Anzahl und der Bereich der in der HHG-Strahlung 13' vorhandenen Wellenlängen hängt stark von den genauen Betriebsparametern des Lasers (Laserpulse 1) und der Gassorte (Nickelröhrchen 3) ab. Hier wurde sich zur Übersichtlichkeit auf 6 Wellenlängen beschränkt.

In der nullten Beugungsordnung (Grundwelle 41) wirkt das optische Gitter 25 wie ein Spiegel, so dass in diesem Strahlungsanteil der HHG- Strahlung 13' alle Wellenlängen von λι bis λ vorhanden sind.

In der ersten Beugungsordnung sind die Harmonischen 35 bis 40 aufgespalten, so dass ihre jeweiligen Strahlungsfoki der HHG- Strahlung 13' örtlich getrennt auf das Pinhole 18 treffen. Für die Wellenlängen gilt: λι > λ ₂ > λ ₃ > λ4 > λ5 > λ^. Die Foki dieser unterschiedlichen Teilstrahlen liegen, wie in Fig. 4 dargestellt, bei kürzer werdender Wellenlänge immer enger beieinander.

Das Pinhole 18 besitzt eine sehr kleine Durchgangsöffnung 42 und ist mit derselben nur für denjenigen spektralen und beugungsabhängigen Anteil der HHG-Strahlung 13' (Harmonische 35, 36, 37, 38, 39 oder 49) durchgängig, welcher auf eben diese Durchgangsöffnung 42 trifft. Alle anderen Strahlungsanteile der HHG-Strahlung 13' werden vom Pinhole 18 blockiert. Durch entsprechende Positionierung des Pinholes 18 relativ zur HHG-Strahlung 13' in dieser Brennebene des torisch gekrümmten Spiegels 23 (vgl. x-y-z-Steuerung 32 in Fig. 3) kann eine der spektral unterschiedlichen und von der Beugung des optischen Gitters 15 abhängigen Harmonischen 35 bis 41 für den Durchgang durch das Pinhole 18 und somit für die Beleuchtungsstrahlung 28 am Ausgang der Durchgangsöffnung 42 des Pinholes 18 selektiert werden. Auf diese Weise kann vergleichsweise einfach und gut handhabbar (vor allem ohne das Erfordernis einer baulichen Umrüstung der Vorrichtung) jeweils eine unterschiedliche Beleuchtungsstrahlung 28 für die XUV-Mikroskopie eingestellt und verändert werden.

Aufgrund des Prinzips der Beugung am optischen Gitter 25 ist die erste Beugungsordnung, wie erwähnt, spektral aufgespaltet, d. h. man kann die Harmonischen-Ordnungen trennen. Jede Harmonische 35-41 selbst hat aber auch eine gewisse Bandbreite (Zehntel-Nanometer Bereich), die dazu führt, dass die jeweilige Harmonische im Fokus ebenfalls leicht spektral aufgespaltet ist. Durch die Verwendung der speziellen Durchgangsöffnung 42, die wesentlich kleiner als der jeweilige Fokus der Harmonischen 35-41 ist, kommt es somit zu einer zusätzlichen Monochromatisierung.

Angemerkt sei, dass die Strahlungsfoki der Harmonischen 35 bis 41 streng genommen auf einer Sphärenbahn (vom optischen Gitter 25 aus gesehen) liegen. Außerdem laufen die Strahlen der Harmonischen 35 bis 41 alle unter leicht verschiedenem Winkel zum Pinhole 18. Dies ist aus Ubersichtsgründen nicht in der Zeichnung dargestellt, zumal der Abstand der Strahlungsfoki zwischen nullter und erster Beugungsordnung in der Brennebene des torisch gekrümmten Spiegels 23 lediglich ca. 2-3 mm beträgt, der Abstand zum optischen Gitter 25 dagegen immerhin ca. 55 cm.

Bezugszeichenliste

1 - Laserpulse

2 - Fokussieroptik

3 - Nickelröhrchen

4 - Vakuumsystem

5 - Frequenzvervielfacher

6 - Lichteintrittsfenster des Frequenzvervielfachers 5

7 - Positioniereinrichtung

8 - Gasschlauch

9 - Gasreservoir

10 - Rückkoppelventil

1 1 - Gaszuleitung

12 - Vakuumdurchfuhrung

13 - Strahlung

13' - HHG-Strahlung

13" - Grundstrahlung

14 - Filtereinheit

15, 16 - Dünnfilm- Aluminiumfolie

17 - Lichtaustrittskanal

18 - Pinhole

19 - Beleuchtungs- und Probeneinheit

20 - Refokussiereinheit

21, 22 - Vakuumkanal

23 - torisch gekrümmter Spiegel

24 - Reflexionsstrahl

25 - optisches Gitter

26 - Probenhalter

27 - Motor

28 - Beleuchtungsstrahlung

29 - Reflexionsstrahlung

30, 31 - Detektor

32 - x-y-z- Steuerung

33, 34 - Pfeildarstellung

35 , 36, 37 - Harmonische

38, 39, 40, 41 - Harmonische Durchgangsöffnung des Pinholes 18

Wellenlänge

Wellenlänge

5