Velocity-Map Imaging for Emittance Characterization of Field Emitter Arrays

Abstract

Elektronenstrahlen von hoher Qualität, z. B. mit einer geringen Emittanz, sind von entscheidender Bedeutung für neue, wegbereitende wissenschaftliche Instrumente wie Freie-Elektronen-Laser im Röntgen-Bereich (XFELs) sowie Versuchsaufbauten zur ultraschnellen Elektronenbeugung. In dieser Arbeit wurde ein Spektrometer entwickelt, um die normierte transversale Emittanz von photoemittierten Elektronenpaketen zu messen. Das Spektrometer kann in zwei Modi betrieben werden. Dies erlaubt es, sowohl die räumlichen Anfangsbedingungen als auch die transversale Geschwindigkeit der emittierten Elektronen bei der Geburt zu bestimmen. Die Technik ermöglicht eine vollständige Bestimmung der Emittanz innerhalb weniger Minuten. Die zweidimensionale (2D) projizierte Geschwindigkeitsverteilung von photoemittierten Elektronen wurde gemessen und analysiert, um die normalisierte transversale Emittanz zu erhalten. Mit Hilfe der in der Arbeit dargestellten Verteilungsfunktion der Elektronen-Photoemissionswinkel wurde eine mathematische Methode implementiert, um die dreidimensionale (3D) Geschwindigkeitsverteilungskurve zu rekonstruieren. Als ein erstes Beispiel wird die Multiphotonenemission von einer planaren Gold- Oberfläche durch Bestrahlung unter einem Glanzwinkel mit intensiven 45-fs-Laserpulse, bei einer zentralen Wellenlänge von 800 nm untersucht. Die rekonstruierte Energieverteilung stimmt sehr gut mit der Berglund-Spicer-Theorie der Photoemission überein. Die normierte transversale Emittanz des intrinsischen Elektronenpaketes wurde auf 128 and 14 nm·rad in X- and Y -Richtung bestimmt. In dieser Arbeit wurden 100×30 nm große Au-Nanostäbchen-Arrays mit Abständen zwischen den Stäbchen von 500 nm und 75 nm untersucht. Für die Arrays mit 500 nm Abstand wurde, wie im Fall der planaren Gold-Oberfläche, eine vierte nichtlineare Ordnung Photonenemission gemessen. Die breite transversale Geschwindigkeitsverteilung hat Beiträge von Elektronen, die von den Seitenwänden der Stäbchen emittiert werden. Ein räumlich strukturiertes Elektronenpaket wurde von der Gold-Nanostäbchen-Anordnung mit dem Abstand von 75 nm beobachtet. Die Elektronen wurden jeweils von einem einzelnen Nanostäbchen innerhalb der Anordnung emittiert. Im Tunnelregime, direkt nach der Photoemission, wird ein Elektron durch das Laserfeld angetrieben, was zu faszinierender Physik führt. Ein Energieplateau aufgrund der zurückstreuenden Elektronen wurde im Tunnelregime in dieser Arbeit beobachtet. Es wurde eine polarisationsabhängige Photoemissionsstudie durchgeführt, die eine Standardabweichung der normalisierten Divergenz von 1.15 μm aufweist, wenn das Laserfeld senkrecht zur Probenoberfläche polarisiert ist. Im parallelen Fall wurde eine kleinere Standardabweichung der normalisierten Divergenz von 0.8 μm ermittelt. Das demonstrierte Spektrometer eröffnet neue Möglichkeiten für die Untersuchung korrelierter Elektronenemissionen aus Festkörpern. Währenddessen fördert die Elektronenemission von einzelnen Nanospitzen- oder Feldemitterarrays, von denen vorhergesagt wurde, dass sie kohärente Elektronenpakete mit hohem Strom und niedriger Emittanz bereitstellen, dieWeiterentwicklung von Freie-Elektronen-Lasern, ultraschnellen Elektronenmikroskopen und Elektronenbeugungsinstrumenten.

Electron beams of high quality, e.g., low emittance, are of crucial importance for cutting-edge scientific instruments, such as x-ray free electron lasers (XFELs) and ultrafast electron diffraction (UED) setups. A velocity-map-imaging spectrometer is demonstrated to characterize the normalized transverse emittance of photoemitted electron bunches. The spectrometer operated in both, spatial map imaging (SMI) and VMI modes. Therefore, spatial- and velocity-coordinates were recorded independently and quickly. The technique allows for fast complete emittance measurements, within minutes. The two-dimensional (2D) projected velocity distribution images of photoemitted electrons are recorded by the detection system and analyzed to obtain the normalized transverse emittance. With the presented distribution function of the electron photoemission angles a mathematical method is implemented to reconstruct the three-dimensional (3D) velocity distribution curve. As a first example, multiphoton emission from a planar Au surface is studied via irradiation at a glancing angle by intense 45 fs laser pulses at a central wavelength of 800 nm. The reconstructed energy distribution agrees very well with the Berglund-Spicer theory of photoemission. The normalized transverse emittance of the intrinsic electron bunch is characterized to be 128 and 14 nm·rad in X- and Y -directions, respectively. The 500 nm and 75 μm spacing Au-nanorod arrays, with nanorods itself of dimension 100×30 nm, were studied. For the one spaced by 500 nm, the same 4-th order photon emission has been observed as for the planar Au surface. The broad transverse velocity spread is contributed by the electrons photoemitted from the nanorod sidewalls. A patterned electron bunch was observed from the 75 μm spacing Au-nanorod array, each emitted from a single nanorod within the array. In the tunneling regime, upon photoemission, an electron is steered by the laser field resulting in fascinating physics. An energy plateau due to the re-scattering electrons was observed in the tunneling regime. A polarization dependent photoemission study was performed showing a smaller rms-normalized divergence of 0.8 mrad with the laser polarization normal to the sample surface, compared to 1.15 mrad while the polarization is parallel. The demonstrated imaging spectrometer opens up new opportunities in the study of correlated electron emission from solid state. Meanwhile, the electron emission from a single nanotip or field emitter arrays, which are predicted to provide high-current low-emittance coherent electron bunches, foster the further development of free electron lasers, ultrafast electron microscopy and diffraction instruments.