Mithilfe luftgelagerter Positioniersysteme Prozesse verstehen und neue Anwendungen ermöglichen
Für ein vollständiges Prozessverständnis ist es von grundlegender Bedeutung, den zeitlichen Ablauf des Prozesses genau zu beobachten und zu verstehen. Bei hohen Geschwindigkeiten kann die einfache Aufgabenstellung der Beobachtung jedoch sehr kompliziert werden.
Für schnellere Bewegungen, z. B. im subatomaren Bereich, müssen sich die Forscher mit dem sogenannten Pump-Probe-Experiment behelfen. Vergleichbar mit den Serienbildern einer Kamera mit kurzen Belichtungszeiten sorgen gesteuerte, aufeinander abgestimmte Ultrakurzzeit-Laserpulse, die nur eine Trillionstel Sekunde dauern, für den erfolgreichen Nachweis. Der zeitliche Versatz (engl. Delay) der Pulse zueinander wird üblicherweise mittels einer sogenannten Delay Line Stage erzeugt.
Vorstoß in die Elektronendynamik
Für Pump-Probe-Experimente haben sich in den vergangenen Jahren Delay Line Stages etabliert, die auf mechanischen Führungs- und Antriebssystemen basieren. Mit diesen Systemen können Dynamiken in Proben im Femtosekunden-Regime (atomare Bewegungen) aufgelöst werden, auf einer Zeitskala bis in den Pikosekundenbereich.
Diese Systeme stoßen derzeit an ihre Grenzen hinsichtlich der kleinstmöglichen Schrittweite (MIM, Minimum Incremental Motion), die im Bereich von weniger als 100 nm liegt (doppelter optischer Strahlweg), und deshalb nur eine zeitliche Auflösung von > 0,7 fs erreichen können. Dies ist zu wenig, um die Dynamik von Elektronen zu verfolgen, die im Bereich von Attosekunden (1 as = 0,000 000 000 000 000 001 s) liegt.
Der Nobelpreis 2023 für Physik verdeutlicht, dass sich das spektroskopische Tor zur direkten Beobachtung der Elektronendynamik geöffnet hat. Dadurch werden neue Anforderungen an die Delay Line Stages gestellt, die mit klassischen Systemen hinsichtlich der MIM (wenige 10 nm) und der Ablaufgenauigkeit nicht erfüllt werden können.
Der Pump-Probe-Aufbau
In einem Pump-Probe-Aufbau werden zwei aufeinander abgestimmte Pulse zeitverzögert auf derselben Stelle der Probe übereinander aufgebracht. Der erste Puls, auch Pump-Pulse genannt, regt die Probe an. Der zeitverzögerte Probe-Pulse erfasst die Anregung des Systems in Abhängigkeit vom zeitlichen Versatz. Die Art der verwendeten Pulse wie Laserpulse oder Röntgenpulse ist dabei zweitrangig.
Eine mögliche Anwendung ist die Beobachtung der Energieniveaus in Festkörpern oder die Änderung der elektronischen Struktur durch eine starke Anregung.
Bei dieser Anwendung sind die folgenden zwei Punkte von grundlegender Bedeutung:
- Die MIM für die Erreichung der zeitlichen Auflösung, die für die zu beobachtenden Prozesse erforderlich sind
- Dass der Pump- und der Probe-Puls jederzeit dieselbe Stelle der Probe treffen
Dies bedeutet, dass neben einer möglichst geringen MIM auch die Ablaufgenauigkeit der Delay Line Stages entscheidend ist, um aussagekräftige Ergebnisse zu erzielen. Selbst geringfügige parasitäre Bewegungen wie Neigen und Gieren als auch die Geradheit und Ebenheit der Delay-Systeme haben aufgrund des üblicherweise meterlangen Strahlwegs erhebliche Auswirkungen, die berücksichtigt und kompensiert werden müssen.
Aufgrund der Ungenauigkeiten im Ablauf müssen die Forscher während ihrer Messungen Kompromisse eingehen, um den Einfluss eines wandernden Probe-Pulses zu minimieren. Zum einen werden nur homogene Proben oder Stellen auf der Probe untersucht, zum anderen wird der Pump-Pulse nicht so stark fokussiert wie der Probe-Puls, um einen größeren Teil der Probe anzuregen. Dadurch wird sichergestellt, dass mit einem driftenden Probe-Puls jederzeit der angeregte Bereich getroffen wird.
Luftlagersysteme öffnen das Tor zur Welt der Elektronen
Hier kommen >> Luftlagersysteme von PI ins Spiel. Durch das reibungsfreie Antriebsprinzip können kleinste Schrittweiten im Bereich von 10 nm erreicht werden. Dies entspricht einer optischen Weglänge von ca. 66 as (doppelter Weg durch Hin- und Rücklauf des Strahls). Bei Einsatz dieser Technologie liegen die Bewegungsfehler typischerweise im Bereich von 0,1 µm (Geradheit/Ebenheit) bzw. 0,5 Bogensekunden (Neigen/Gieren) pro 25 mm. Im Vergleich zu mechanischen Führungskonzepten entspricht dies einer Verringerung um ungefähr den Faktor 10.
Durch diese deutliche Verbesserung der Ablaufgenauigkeit sind kleinere Anregungsbereiche möglich und können Proben bis auf atomarer Ebene untersucht werden. Eine höhere Fokussierung ermöglicht es zudem, punktuell mehr Energie in die Probe einzubringen und somit eine höhere Anregung zu erreichen.
Diese Auflösung und Ablaufgenauigkeit können auch mit piezobasierten Systemen erreicht werden. Hier besteht jedoch eine Beschränkung auf einen maximalen Verfahrweg von 1 mm, was einem maximalen Delay von ca. 6,6 ns entspricht. Dynamiken auf einer längeren Zeitskala mit entsprechend hoher Ablaufgenauigkeit sind nur mit luftgelagerten elektromagnetischen Antriebslösungen erreichbar.
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