This thesis work is focused on the design of a photon energy spectrometer for Extreme UltraViolet (EUV) coherent light from High-order Harmonic Generation (HHG), in the context of Ultrafast EUV Ptychography. In our source, light from a tabletop titanium-sapphire femtosecond regenerative amplifier is coherently upconverted to two different harmonic combs, optimized respectively for 96.1 eV and 42.6 eV. The EUV light is then combined with a technique for Coherent Diffractive Imaging called ptychography, where multiple diffraction patterns from overlapping fields of view are processed by iterative algorithms to reconstruct the amplitude and the phase of both the sample and of the image-forming illumination function. The capability of measuring in real-time the spectrum of the EUV source, in the same device where the microscopy is performed, can be harnessed to enhance the robustness of the reconstructed images through advanced algorithms. To design the system, I analyzed two possible configurations: (i) a Constant Line Spacing (CLS) grating coupled with an off-axis z-fold pair of EUV multilayer mirrors; and (ii) a Variable Line Spacing (VLS) grating that simultaneously diffracts and focuses the diffracted HHG beam onto the detector. I conducted a feasibility study of CLS and VLS at both energy combs, and derived a layout that would allow for both solutions to be implemented in the ultrafast EUV microscope. After this step, I experimentally characterized the divergence and the source size of the HHG comb centered at 42.6 eV. I then combined these results with the outcome of the feasibility study to perform accurate ray-tracing simulations of both CLS and VLS spectrometers with the ShadowOui OASYS software, utilized in the design of beamlines at Synchrotrons and Free-Electron Laser. These detailed simulations accounted for the 2D slope and shape errors of the mirrors. The effects of surface roughness, optics offsets, and spurious scattering effects along the beam path were also considered and their impact assessed as negligible in the system performances. This study demonstrates that the spectrometers resolutions are primarily affected by the detector pixel size, rather than by the quality of the optical elements. It resulted in energy resolutions of 0.07 eV for the CLS configuration and 0.05 eV for the VLS configuration at 42.6 eV, with six higher-order odd harmonics of the fundamental laser driver (1.58 eV central wavelength) fully resolved, each characterized by a linewidth of 0.3 eV, and distanced by 3.1 eV. The nominal spectrometer resolutions thus obtained support the enforcement of this information basis-set within the ptychographic reconstruction engine, to yield quantitative contrast to the samples composition. The first two chapters of my thesis provide the necessary background to this project: Chapter 1 reviews the principles and development of ptychography, outlining the current state-of-the-art. Chapter 2 examines EUV sources, discussing their generation methods and key performance parameters relevant to this work. In the second part of the thesis, I present my personal contribution to the spectrometer design. Chapter 3 elaborates the fundamental concepts of grating diffraction, CLS and VLS working principles and resolution calculations, providing the outcome of the feasibility study towards the implementation of either approach within the ultrafast EUV microscope. Chapter 4 reports the experimental work I conducted to characterize the EUV source, and the results related to the ray tracing simulations of the spectrometer at 42.6 eV. The last part of the thesis presents the main conclusions and perspectives to my project, including preliminary findings on the achievable resolutions of the spectrometer at 96.1 eV. This thesis work provides a robust experimental scheme for efficient ultrafast imaging techniques, towards materials science and nanotechnology applications.
Questo lavoro di tesi è incentrato sulla progettazione di uno spettrometro per luce coerente nell’estremo ultravioletto (EUV) generate tramite generazione di armoniche superiori (HHG), nel contesto della pticografia EUV Ultraveloce. Nella nostra sorgente, la luce da un amplificatore rigenerativo titanio-zaffiro al femtosecondo viene convertita coerentemente in due diversi pettini di armoniche, ottimizzati rispettivamente per 96.1 eV e 42.6 eV. La luce EUV viene quindi combinata con una tecnica per Imaging Diffrattivo Coerente chiamata pticografia, in cui più pattern di diffrazione da campi visivi sovrapposti vengono elaborati da algoritmi iterativi per ricostruire l'ampiezza e la fase sia del campione che della funzione di illuminazione che forma l'immagine. La capacità di misurare in tempo reale lo spettro della sorgente EUV, nello stesso dispositivo in cui viene eseguita la microscopia, può essere sfruttata per migliorare la robustezza delle immagini ricostruite tramite algoritmi avanzati. Per progettare il sistema, ho analizzato due possibili configurazioni: (i) un reticolo a spaziatura costante (CLS) accoppiato a specchi multistrato in geometria z-fold; e (ii) un reticolo a spaziatura variabile (VLS) che contemporaneamente diffrange e focalizza il fascio HHG diffratto sul rivelatore. Ho condotto uno studio di fattibilità per CLS e VLS su entrambi i pettini energetici e ho derivato un layout che consenta l'implementazione di entrambe le soluzioni nel microscopio EUV ultraveloce. Ho poi caratterizzato sperimentalmente la divergenza e la dimensione della sorgente del pettine HHG centrato a 42.6 eV. A seguire, ho eseguito accurate simulazioni di ray-tracing per gli spettrometri CLS e VLS con il software ShadowOui OASYS, utilizzato nella progettazione di linee di luce su sincrotroni e laser a elettroni liberi. Queste simulazioni dettagliate hanno tenuto conto degli errori di pendenza e forma 2D degli specchi. Sono stati considerati anche gli effetti della rugosità superficiale, gli offset ottici e gli effetti di scattering spurio lungo il percorso del Raggio, valutandone trascurabile l’impatto nelle prestazioni del sistema. Questo studio dimostra che le risoluzioni degli spettrometri sono principalmente influenzate dalle dimensioni dei pixel del rilevatore, piuttosto che dalla qualità degli elementi ottici. Ha prodotto risoluzioni energetiche di 0.07 eV per la configurazione CLS e 0.05 eV per la configurazione VLS a 42.6 eV, con sei armoniche dispari di ordine superiore del driver laser fondamentale (lunghezza d'onda centrale di 1.58 eV) completamente risolte, ciascuna caratterizzata da una larghezza di linea di 0.3 eV e distanziata di 3.1 eV. Le risoluzioni nominali dello spettrometro così ottenute supportano l'applicazione di questo set di informazioni di base all'interno del motore di ricostruzione pticografica, per produrre un contrasto quantitativo alla composizione dei campioni. In questa tesi, il Capitolo 1 esamina i principi e lo sviluppo della pticografia, delineando lo stato attuale dell'arte. Il Capitolo 2 esamina le sorgenti EUV, discutendo i loro metodi di generazione e i parametri chiave delle prestazioni rilevanti per questo lavoro. Il Capitolo 3 elabora i concetti fondamentali della diffrazione a reticolo, i principi di funzionamento CLS e VLS e i calcoli della risoluzione, fornendo l'esito dello studio di fattibilità verso l'implementazione di entrambi gli approcci all'interno del microscopio EUV ultraveloce. Il Capitolo 4 riporta il lavoro sperimentale di caratterizzare la sorgente EUV ed i risultati del ray-tracing a 42.6 eV. L'ultima parte della tesi presenta le principali conclusioni e prospettive del mio progetto, inclusi i risultati preliminari sulle risoluzioni raggiungibili dello spettrometro a 96.1 eV. Questo lavoro di tesi fornisce un solido schema sperimentale per tecniche di imaging ultraveloci efficienti, per applicazioni nella scienza dei materiali e nella nanotecnologia.
Progettazione di uno spettrometro per ptychography ultraveloce in tempo reale nell'estremo ultravioletto
COMPAGNINI, DOMENICO
2023/2024
Abstract
This thesis work is focused on the design of a photon energy spectrometer for Extreme UltraViolet (EUV) coherent light from High-order Harmonic Generation (HHG), in the context of Ultrafast EUV Ptychography. In our source, light from a tabletop titanium-sapphire femtosecond regenerative amplifier is coherently upconverted to two different harmonic combs, optimized respectively for 96.1 eV and 42.6 eV. The EUV light is then combined with a technique for Coherent Diffractive Imaging called ptychography, where multiple diffraction patterns from overlapping fields of view are processed by iterative algorithms to reconstruct the amplitude and the phase of both the sample and of the image-forming illumination function. The capability of measuring in real-time the spectrum of the EUV source, in the same device where the microscopy is performed, can be harnessed to enhance the robustness of the reconstructed images through advanced algorithms. To design the system, I analyzed two possible configurations: (i) a Constant Line Spacing (CLS) grating coupled with an off-axis z-fold pair of EUV multilayer mirrors; and (ii) a Variable Line Spacing (VLS) grating that simultaneously diffracts and focuses the diffracted HHG beam onto the detector. I conducted a feasibility study of CLS and VLS at both energy combs, and derived a layout that would allow for both solutions to be implemented in the ultrafast EUV microscope. After this step, I experimentally characterized the divergence and the source size of the HHG comb centered at 42.6 eV. I then combined these results with the outcome of the feasibility study to perform accurate ray-tracing simulations of both CLS and VLS spectrometers with the ShadowOui OASYS software, utilized in the design of beamlines at Synchrotrons and Free-Electron Laser. These detailed simulations accounted for the 2D slope and shape errors of the mirrors. The effects of surface roughness, optics offsets, and spurious scattering effects along the beam path were also considered and their impact assessed as negligible in the system performances. This study demonstrates that the spectrometers resolutions are primarily affected by the detector pixel size, rather than by the quality of the optical elements. It resulted in energy resolutions of 0.07 eV for the CLS configuration and 0.05 eV for the VLS configuration at 42.6 eV, with six higher-order odd harmonics of the fundamental laser driver (1.58 eV central wavelength) fully resolved, each characterized by a linewidth of 0.3 eV, and distanced by 3.1 eV. The nominal spectrometer resolutions thus obtained support the enforcement of this information basis-set within the ptychographic reconstruction engine, to yield quantitative contrast to the samples composition. The first two chapters of my thesis provide the necessary background to this project: Chapter 1 reviews the principles and development of ptychography, outlining the current state-of-the-art. Chapter 2 examines EUV sources, discussing their generation methods and key performance parameters relevant to this work. In the second part of the thesis, I present my personal contribution to the spectrometer design. Chapter 3 elaborates the fundamental concepts of grating diffraction, CLS and VLS working principles and resolution calculations, providing the outcome of the feasibility study towards the implementation of either approach within the ultrafast EUV microscope. Chapter 4 reports the experimental work I conducted to characterize the EUV source, and the results related to the ray tracing simulations of the spectrometer at 42.6 eV. The last part of the thesis presents the main conclusions and perspectives to my project, including preliminary findings on the achievable resolutions of the spectrometer at 96.1 eV. This thesis work provides a robust experimental scheme for efficient ultrafast imaging techniques, towards materials science and nanotechnology applications.| File | Dimensione | Formato | |
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https://hdl.handle.net/20.500.14239/28758