Anpassung und Optimierung des ptychographischen Modells für die quantitative Mikroskopie mit kohärenter Röntgenstrahlung und sichtbarem Laserlicht

Abstract

Die Ptychographie ist ein rasterndes indirektes Mikroskopieverfahren zur Lösung des Phasenproblems. Das Objekt wird an jedem Rasterpunkt beleuchtet und die Intensität im Fernfeld vermessen. Alle Messungen werden anschließend gemeinsam rekonstruiert. Als Resultat liefert die Ptychographie ein komplexwertiges Beleuchtungsfeld und die komplexwertige Transmissionsfunktion des Objektes. Das Beleuchtungsfeld in der Objektebene ist vollständig charakterisiert und damit auch das Wellenfeld im gesamten Bereich entlang der optischen Achse. Die Ptychographie eignet sich damit besonders für die Charakterisierung von Optiken und kohärenten Quellen. Anhand der Untersuchung eines fokussierten Strahls einer Freie-Elektronen-Laser-Quelle und dem Vergleich zweier Moden eines optischen Lasers wird diese einzigartige Fähigkeit demonstriert. Aus der Absorption und Brechkraft, des ebenfalls komplexwertig rekonstruierten Objektes, lassen sich außerdem alle optischen Eigenschaften der Probe gewinnen. Am Beispiel von nanoporösem Gold demonstriere ich, dass die Ptychographie auch in einer Probenumgebung mit künstlicher dynamischer Atmosphäre und bei erhöhter Temperatur, ohne Einschränkungen funktioniert. Zur Untersuchung von Katalysatoren sind damit alle notwendigen Voraussetzungen erfüllt. Zudem zeige ich die ortsaufgelöste Messung des Oxidationszustandes mittels energieabhängiger ptychographischer Abbildung. Über Ptychographie mit sichtbarem Licht wurde die Änderung des Brechungsindexes von eisendotiertem LiNbO3 untersucht. Es wird der lichtinduzierte Ladungstransport im Material sichtbar gemacht und dessen Dynamik quantitativ beschrieben. Außerdem zeige ich, dass bei dicken Proben eine eindeutige Tiefenzuordnung der Wechselwirkungsebenen auch möglich ist, wenn die Beleuchtung über die gesamte Probendicke quasi konstant bleibt.

Ptychography is a microscopy technique that combines coherent small-angle scattering and raster-scanning to solve the phase problem. At each scan point a far-field image of the illuminated object is recorded. The set of images must be reconstructed afterwards commonly to get the complex-valued illumination wave field and transmission function of the object. The complex wave field completely defines the illumination in the interaction plane and thus along the optical axis. By this feature the ptychography is perfectly suited to investigate optical elements and coherent sources. I demonstrate this unique capability by the characterization of a focused free-electron-laser beam and a comparison of two modes of an optical laser. Based on the absorption and phase shift, of the as well complex valued reconstructed object, all optical properties of the sample can be derived. Using the example of nano-porous gold, I demonstrate ptychographic imaging in a sample environment with an artificial dynamic atmosphere and at elevated temperature, functioning without restrictions. To understand the catalytic reaction the valence state of the catalyst must be measured separately. I present a method to determine the spatial resolved valence state by energy-dependent ptychographic imaging. Using optical-light ptychography the photorefraktive characteristics of iron doped LiNbO3 is investigated. The change of the refractive index and the dynamic behavior of the light induced charge transport are measured and quantitatively described. Furthermore I can proof that the interaction planes inside a thick sample can be determined, even if the illumination is parallel throughout the sample.