Röntgenholographie (Prof. Eisebitt) Flashcards
Welche Kontrast Mechanismen sind mit Röntgenstrahlung möglich?
- Elementspezifität (Absorptionskanten) - Chemische Sensitivität (Ladungsdichten und Oxidation) - Magnetisierung Sensitivität (Spin)
Wie kann die Bildgebung erfolgen?
Weitfeld:
- Austrittswelle = Beleuchtungsfunktion * Transmissionsfunktion - Austrittswelle besitzt Änderung in Phase und Amplitude -> Kontrast Scanning Method
Rastern:
- Bild durch raster scan - Absorptionssignal - kombinierbar mit z.B. Fluoreszenz, “total electron yield”
Welches Problem tritt am Detektor bei Messung des Wellenfeldes auf?
- Auf Grund der Kohärenz, ist die Welle im Fernfeld die Fourier Transformierte der Austrittswelle aus der Probe
- Wenn das Wellenfeld im Fernfeld bekannt wäre, wäre es möglich die Austrittswelle zu berechnen (Prinzip der Kohärenz)
- Jedoch misst der Detektor im Fernfeld nur die Intensität - Diese ist das Betragsquadrat der Amplitude (bzw. des Wellenfeldes)
- > Phase der Welle geht verloren -> Phasenproblem
Welches Grundlegende Problem bei Bildgebungen kann die Holographie lösen und wie? Wie wird dieses Problem beim Röntgenmikroskop gelöst?
- Löst das Phasenproblem - Welle die vom Objekt kommt wird mit einer Referenzwelle überlagert -> Phase der Objektwelle relativ zur Referenzwelle - Darauf folgt das Hologram
- Beim Röntgenmikroskop wird das Phasenproblem durch die Linse (z.B. Zonenplatte/Luftlinse) und deren Fokussierung gelöst
- Hier nur Phasen- oder Amplitudenkontrast (Bei Holographie beides)
Warum kann die Phase bei Röntgenstrahlung nicht über elektronische Messungen bestimmt werden?
- Frequenz der Wellen zu hoch ~10^18 Hz - Viel zu schnell für elektronische Detektion -> Daher Intensität gemessen
Wie ist ein Holographie Experiment grundlegend aufgebaut? Welche Probleme treten hierbei auf?
Aufbau: (siehe Bild)
- Laserquelle
- Strahlteiler
- Spiegel zur Strahlumleitung
- Linsen
- Objekt
- Referenzwelle und Objektwelle bilden Interferenzmuster auf dem Film
Probleme (bei weicher Röntgenstrahlung):
1) Kein effiziente Teilung der Strahlen möglich
2) Hohe Reflexion an Spiegeln nur für kleine Winkel
3) Mechanische Stabilität in Größenordnung der Wellenlänge nötig
4) Interferenzstreifen haben Abstand von λ (Außer bei sehr kleinen Winkel zwischen Objekt- und Referenzwelle)
Was ist das Holographische Prinzip?
- Intensität des Holograms ergibt sich aus der kohärenten Summe (Betragsquadrat) von Objekt- und Referenzwelle
- Zur Rekonstruktion wird Intensität erneut mit Referenzwelle multipliziert (bestrahlt?) Ψ ~ I*ρ ~ |ρ|2 * o + |ρ|2 * o*
(ρ = Referenzwelle; I = Intensität; o = Austrittswelle des Objekts -> Enthält gewünschte Rekonstruktion; o* = Zwillingsbild)
Wie werden die Holographie Arten unterschieden?
Unterscheidung durch Geometrien:
1) In-line Holographie:
- Detektor in einer Linie mit Referenzquelle und Objektquelle -> hohe Auflösungen sind schwierig und Zwillingsbild überlagert
2) Fourier-Transform Holography (FTH):
- Detektor Senkrecht zur Referenz und zum Objekt
- Je näher Referenz und Objekt aneinander, desto weiter sind die Interferenzstreifen auseinander (wie im Fernfeld beim Doppelspalt)
Was ist für die FTH nötig?
= Fourier Transform Holography (FTH)
- Loch für Refrenzwelle!
- Quelle für Objektwelle und Referenzwelle nah aneinander
- Abstand zum Detektor groß (Fernfeld)
=> Eine einzelne Fourier Transformation des Interferenzmusters liefert Rekonstruktion = Patterson Map (keine Iteration nötig)
Wie wurde die FTH damals umgesetzt und wie heute?
= Fourier Transform Holography (FTH)
Damals:
- Kohärente Strahlung wird von Zonenplatte fokussiert
- In einer Lochblende befindet sich die Probe, an der die Welle gestreut wird
- Unterhalb der Probe eine weitere kleine Lochblende für Referenzwelle -> Interferenz am Detektor
- Problem mit Stabilität
Heute:
- Gleiches Prinzip, aber durch “Mask-based approach” -> Sehr stabil
- Nutzt z.B. Goldschicht auf Silizium-Nitrit mit Objekt- und Referenz Apertur (Durch Lithographie hergestellt)
- > Goldschicht absorbiert weiche Röntgenstrahlung
- > Gutes Signal zu Rausch Verhältnis, aber schwierig bei harter Röntgenstrahlung
Was besagt der Faltungssatz der Fouriertransformation? Was bedeutet dies für die FTH?
Fouriertransformation der Faltung zweier Funktionen = Produkt der Fouriertransformation von den einzelnen Funktion
- Darauf lässt sich Inverse FT anwenden
- > Man erhält die Faltung
Bedeutung für die Fourier Transform Holography:
- e(x,y) ist die Austrittswelle einer 2D Probe
- FT(e)*FT(e) ist die gemessene Intensität des Holograms/Interferenzmusters
- Inverse FT der Intensität ist damit gleich der Faltung des Objekts mit sich selbst (e*e) (bei e(r-Vektor) ist es dann FT(e)*FT*(e) und die Inverse FT ist die Faltung des Objekts e(r) mit e(-r))
Wie sieht die Intensität und das Bild der gezeigten Probe bei einer FTH Messung aus?
Probe: Objekt (Aa) und Referenzloch im Abstand r0
b) Intensität des Interferenzmusters Fouriertransformation liefert:
- unten links: Bild
- oben rechts: Zwillingsbild (komplex konjugiertes Bild)
- mitte: Objektautokorrelation => r0 sollte so gewählt werden, dass sich diese Bereich nicht überlappen
Welche Röntgenholographie Methoden kennen Sie?
1) Dichroic Hologram: - XMCD Kontrast (Differenz von links- und recht zirkular polarisierten Welle) um Magnetisierung sichtbar zu machen
2) Tiefeninformation (Holos = “ganz” also Amplitude & Phase nicht 3D!)
3) “Open Membrane”: - Alternative zum “mask-based approach”
- Kein Loch für Referenzwelle, sondern Objekt welches stark streut
- > Gut bei harter Röntgenstrahlung
4) 3D Objekte durch Tomographie (Winkelaufnahmen)
Nennen Sie einige Anwendungen der Holographie.
1) Magnetische-Speichermedien
- Magnetisierung gibt Bits vor
- Messung über XMCD-Holographie
2) Laser, der Magnetisierung umdrehen kann
- Demagnetisierung mittels Holographie auf fs Skala sichtbar
- Datenspeicherung evtl. möglich
Wie gut ist die Auflösung der Holographie?
Wodurch wird diese bestimmt?
- Räumliche Auflösung ~ 20-50 nm
- Limitiert durch 1) Referenzloch und 2) maximaler Streuvektor
