Eine lasergestützte Apparatur für Experimente zum magnetischen Lineardichroismus in der Photoemission

Abstract

In dieser Arbeit wird eine lasergestützte Apparatur zur Messung des magnetischen Lineardichroismus in der Photoemission vorgestellt. Der Aufbau besteht aus einem Femtosekundenlasersystem, einer XUV-Laborquelle und einem UHV-Rezipienten für die Photoemissionsspektroskopie an (magnetisierten) Festkörperoberflächen. Die Infrarotpulse des Lasersystems werden in ein Edelgasmedium fokussiert, in dem hohe Harmonische der Fundamentalfrequenz des anregenden elektrischen Laserfeldes generiert werden. Die emittierte Strahlung kann mit Hilfe eines XUV-Spektrometers spektral charakterisiert und auf einen maximalen Photonenfluss im energetischen Transmissionsbereich der HHG-Beamline um die 90 eV optimiert werden. Nach der Selektion einer einzelnen Harmonischen durch Reflexion an einem Gradienten-Multilagenspiegel trifft die XUV-Strahlung auf einen Ellipsoidspiegel, der diese in der Messkammer auf die Probe fokussiert. Durch ein Abrastern der Probenoberfläche mit einem Scannertisch ist dort die Aufnahme ortsaufgelöster Photoelektronenspektren mit einem Flugzeitspektrometer möglich. In einer Präparationskammer mit Ionenkanone und Elektronenstrahlverdampfer können eine in-situ Oberflächenreinigung und das Aufdampfen von Eisenfilmen durchgeführt werden, die sich durch einen Magnetfeldpuls remanent magnetisieren lassen. Die hier vorgestellten statischen Messungen der Festkörperspektren und des magnetischen Lineardichroismus in der Winkelverteilung der Photoelektronen an einer Laborquelle stellen eine Ergänzung zu den Untersuchungen an beschleunigerbasierten XUV-Quellen dar. Die aufgebaute und an Modellsystemen getestete Apparatur bildet die Grundlage für zukünftige Anrege-Abfrage-Experimente, so dass die mit Harmonischenquellen erreichbare Zeitauflösung bis in den Attosekundenbereich auch zur Messung magnetischer Dynamik genutzt werden kann. Zusätzlich zu der Elektronenspektroskopie wurde im Rahmen dieser Dissertationsarbeit eine rein optische Methode basierend auf dem nichtlinearen magneto-optischen Kerr-Effekt zur Detektion des Oberflächenmagnetismus implementiert.

A laser-based apparatus for measuring the magnetic linear dichroism in photoemission is presented in this dissertation. The set-up consists of a femtosecond laser system, a laboratory XUV source and a UHV recipient for photoemission spectroscopy on (magnetized) samples. The infrared laser pulses are focussed into a gaseous medium (e.g. Neon) where high harmonics of the fundamental laser frequency are generated. The emitted radiation is spectrally characterized via a grating spectrometer and optimized concerning the photon flux in the transmission range of the beamline around 90 eV. After a single high harmonic is selected with a gradient multilayer mirror, an ellipsoidal mirror focuses the XUV light onto the sample in the measurement chamber. Spatially resolved photoelectron spectra can there be measured with a time-of-flight spectrometer by scanning the sample surface with a motorized translation stage. In a preparation chamber equipped with an ion gun and an electron beam evaporator the sample surfaces are cleaned, and the in-situ preparation of iron films is possible. Additionally, the iron layer can be remanently magnetized with a magnetic field pulse. The static measurements of the solid state spectra and the magnetic linear dichroism in the angular distribution of the photoelectrons presented in this dissertation complement the usual investigations at accelerator-based XUV sources. The constructed and tested apparatus is the basis for future pump-probe experiments which can exploit the temporal resolution down to the attosecond region accessible with high-harmonic sources for measuring magnetization dynamics. In addition to the electron spectroscopy, an all optical method for detecting the surface magnetism based on the nonlinear magneto-optic Kerr effect has been implemented.