DE102016012724B3

DE102016012724B3 - Vorrichtung zur Beobachtung mit Ladungsteilchen, Elektronenmikroskop sowie Verfahren zur zeitaufgelösten Beobachtung

Info

Publication number: DE102016012724B3
Application number: DE102016012724.4A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-10-24
Filing date: 2016-10-24
Publication date: 2018-03-01
Anticipated expiration: 2036-10-25
Also published as: WO2018077471A1; EP3529823B1; EP3529823A1

Abstract

1. Vorrichtung zur Beobachtung mit Ladungsteilchen und Verfahren zur zeitaufgelösten Beobachtung von ultraschnellen Abläufen. 2.1 Bekannte Vorrichtungen zur Beobachtung mit Ladungsteilchen, zum Beispiel Elektronenmikroskope, haben eine Zeitauflösung von weniger als etwa 100 Femtosekunden, was nicht ausreichend ist zur Beobachtung von ultraschnellen Abläufen. 2.2 Ein Strahlmodulationselement, an dem sich ein kontinuierlicher Strahl von Ladungsteilchen und ein kontinuierlicher Laserstrahl kreuzen, ist so angepasst, dass eine zeitabhängige Beschleunigung der Ladungsteilchen durch die elektromagentischen Feldoszillationen des Laserstrahls erzeugt wird. Dadurch werden Impulse kürzer als ein optische Feldzyklus (circa 1 fs) erzeugt, während die Strahlqualität und mittlerer Strom des Ladungsteilchenstrahls erhalten bleiben. 2.3 Die so erzeugten ultrakurzen Ladungsteilchenimpulse erlauben die Beobachtung von ultraschnellen Abläufen in einem zu prüfenden Objekt mit extrem guten Auflösungen in Raum und Zeit.

Description

1. Gegenstand der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur zeitaufgelösten Beobachtung von ultraschnellen Abläufen mittels Ladungsteilchen, bevorzugt mit Elektronen.
2. Technischer Hintergrund
Optik in Sub-Wellenlängen-Dimensionen, also das Gebiet der Nanophotonik, revolutioniert zur Zeit die ultraschnelle Informationsverarbeitung und Kommunikation, weil dieser Ansatz eine Verbindung herstellt zwischen nanometer-großen Strukturen zum Zwecke der Miniaturisierung und den ultimativen Berechnungsgeschwindigkeiten bei Frequenzen des Lichts (10000-mal schneller als in der Mikroelektronik). Da moderne Nanofabrikationsmethoden es erlauben, fast jegliche Form weitgehend frei zu konzipieren und herzustellen, ermöglichen nanophotonische Elemente eine fast unlimitierte Kontrolle von Lichtwellen für optische oder informationsverarbeitende Anwendungen. Zum Beispiel können in Metamaterialien, also künstlichen nanometer-großen Antennenanordnungen, optische Effekte erzeugt werden, die anderweitig völlig unmöglich zu realisieren sind, zum Beispiel Tarnschichten, linsenfreie Abbildungen oder Materialien mit negativem Brechungsindex.
Bevor letztlich jedoch diese Möglichkeiten der Nanophotonik realisiert werden können bedarf es einer Methode zur Charakterisierung der tatsächlichen lokalen elektromagentischen Funktionsweise von Schaltkreisen in Realzeit. Die entscheidenden Abläufe laufen auf Längen und Zeiten ab, die viel kürzer als die Oszillationsperiode (Größenordnung 0.3–30 fs) und Wellenlänge (Größenordnung 01.–10 μm) des Lichts. The physikalische Messgröße, die untersucht werden muss, ist das elektromagnetische Feld in Raum und Zeit. Die notwendigen Auflösungen sind nahezu atomar im Raum (Nanometer) und kürzer als eine Lichtperiode in der Zeit (Femtosekunden bis Attosekunden). Ideal wäre darüber hinaus auch eine Sichtbarmachung der Feldvektoren und Ihrer Polarisationsdynamik.
Leider ist diese Kombination von Anforderungen gegenwärtig nicht erreichbar, obwohl dies eine zielgerichtete Entwicklung von neuartigen nanophotonischen Geräten für Anwendungen in der Optik und Informationstechnologie erlauben würde.
3. Stand der Technik
Elektronenmikroskope liefern eine räumliche Auflösung von etwa 10^–10 m, aber ihre Zeitauflösung ist bei weitem nicht ausreichend für Messungen von veränderlichen Lichtfeldern.
Ein bekannter Ansatz zur Kombination von hoher räumlicher Auflösung und Zeitauflösung ist in DE 10 2012 112 995 A1 offenbart. In dieser Druckschrift wird vorgeschlagen, die Elektronenbeschleunigungsspannung zu modulieren, um die Energie eines kontinuierlichen Elektronenstrahls zu modulieren, gefolgt von einer Abbildung durch einen Energiefilter hindurch. Die effektive Zeitauflösung ist durch die inverse Modulationsfrequenz gegeben und erreicht daher nicht die notwendige Zeitauflösung zur Untersuchung von Lichtfeld-Phänomenen in einer Probe. Die Elektronenquellen in Elektronenmikroskopen sind in der Größenordnung mm bis cm und haben daher eine elektrische Kapazität, die unvermeidlich die maximal mögliche elektrische Modulationsfrequenz im Mikrowellenbereich (mehrere GHz) limitiert, also 10000-mal langsamer als wünschenswert.
Eine weitere bekannte Methode ist in der US 2016/0005567 A1 offenbart. Elektronenimpulse werden erzeugt, indem ein zeitlich geformter Nanosekundenlaserimpuls auf eine Photokathode gelenkt wird, wodurch Impulse mit 10⁷ bis 10⁹ Elektronen pro Impuls erzeugt werden zum Zwecke der Elektronenbeugung oder -mikroskopie. Während so eine hohe Ortsauflösung erreicht wird, kann ein derartiges System nur eine Zeitauflösung in der Größenordnung von Nanosekunden erzeugen, was ungefähr eine Million Mal langsamer ist als wünschenswert.
Eine bessere Zeitauflösung kann mit der sogenannten ”Ultraschnellen Elektronenmikroskopie” erreicht werden. Dort wird ein Femtosekundenlaser verwendet, um Elektronenemission aus seiner Photokathode auszulösen. So können Femtosekundenelektronenimpulse erzeugt werden, die synchron zum Laser sind. Mittels eines Pump-Abfrage-Experiments können damit zeitabhängige Bilder erhalten werden, zum Beispiel durch Variation der Verzögerung zwischen Anregung und Abfrage. Ein typisches Beispiel in diesem Zusammenhang ist in WO 2011/146084 A1 offenbart. Obwohl eine Zeitauflösung bis hinunter zu 300 fs erreicht wird, ist diese Auflösung immer noch nicht ausreichend für Untersuchungen von optischen Phänomenen bei Lichtfrequenzen, die noch 100–1000 Mal schneller oszillieren.
Um die Dauer von Elektronenimpulsen noch weiter zu verringern und somit die Zeitauflösung zu verbessern, gibt es Methoden zur zeitlichen Verdichtung (Kompression) von Laser-erzeugten Elektronenimpulsen. Zum Beispiel offenbart die Publikation ”All-optical control and metrology of electron Pulses”, C. Kealhofer et al., Science 352, 6284, April 22, 2016, mit verfasst vom gegenwärtigen Erfinder, ein Vorgehen, mit dem Femtosekunden-Elektronenimpulse aus Laser-induzierter Photoemission im folgenden noch weiter zeitlich verdichtet werden mittels optisch erzeugter Impulse von Terahertz-Strahlung. Eine Metallfolie oder mikrostrukturierter Resonator dient dabei als Wechselwirkungsregion für die Impulsverdichtung. Die experimentellen Ergebnisse zeigen eine Elektronenimpulsdauer von nur 75 fs.
Eine weitere wissenschaftliche Veröffentlichung, ”Electron microscopy of electromagnetic waveforms”, A. Ryabov and P. Baum, Science 353, 6297, July 22, 2016, ebenso mit verfasst vom gegenwärtigen Erfinder, ist ein weiteres Beispiel für eine Femtosekundenlaser-basierte Methode. Ein Femtosekundenlaser erzeugt Terahertz-Impulse und einen Impulszug aus Femtosekunden-Elektronenimpulsen mittels einer konventionellen Photokathode. Die Terahertz-Impulse werden sowohl für die Verdichtung der (Abfrage-)Elektronenimpulse als auch für die Auslösung von Resonanzen (Pump-Impulse) in einem mikrostrukturierten Objekt verwendet. Dadurch werden mittels einer Pump-Abfrage-Methode, also durch Verschiebung der verdichteten Elektronenimpulse (Anfrageimpulse) relativ zu den Resonanz-auslösenden Terahertz-Impulsen (Pump-Impulse), die zeitliche und räumliche Entwicklung des elektromagentischen Feld am Objekt gemessen, allerdings nur bei Terahertz-Frequenzen, also circa tausendmal langsamer als die Oszillationsperioden von Licht.
Obwohl also die besten gegenwärtig verfügbaren Methoden bezüglich Raum- und Zeitauflösung, also Femtosekundenlaser-basierte ultraschnelle Elektronenapparate, bereits Femtosekunden-Zeitauflösung liefern, erreichen diese Apparate nicht die wünschenswerte Zeitauflösung, die zum Beispiel eine zeitliche Charakterisierung von lokalen elektromagnetischen Funktionsweisen von Nanostrukturen oder anderen Materialien/Substanzen mit optischen Effekten erlauben würde.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Beobachtung mit Ladungsteilchen, bevorzugt eine Elektronen-basierte Vorrichtung wie zum Beispiel ein Elektronenmikroskop, mit dem die Zeitauflösung weiter verbessert wird, bevorzugt bis hin zum Bereich von wenigen Femtosekunden oder Attosekunden, während eine räumliche Auflösung ähnlich der in beispielsweise einem derzeitig verfügbaren Elektronenmikroskop erhalten bleibt.
Diese und andere Gegenstände, die aus der folgenden Beschreibung ersichtlich sind, werden gelöst durch die Vorrichtung zur Beobachtung mit Ladungsteilchen gemäß Anspruch 1 und das entsprechende Verfahren gemäß Anspruch 16.
4. Zusammenfassung der Erfindung
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur zeitaufgelösten Beobachtung von ultraschnellen Abläufen mit Ladungsteilchen, so zum Beispiel Abläufe mit sub-Pikosekunden- und vorzugsweise sub-Femtosekunden-Dynamik. Anders ausgedrückt stellt die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Zeitauflösung ausreichend für zeitaufgelöste Messungen von Abläufen mit sub-Pikosekunden- und vorzugsweise sub-Femtosekunden-Zeitkonstanten oder -Dynamik. Mit diesen Eigenschaften kann die Vorrichtung auch zur Beobachtung von langsameren Abläufen, Teilen solcher langsamerer Abläufe oder sogar statischer Objekte verwendet werden. Allerdings ist eine bevorzugte beispielhafte Anwendung der Vorrichtung mit ihrer Fähigkeit zu hoher Zeitauflösung die Beobachtung von lokalen elektromagnetischen Funktionsweisen von nanostrukturierten Gegenständen oder anderen Materialien/Substanzen in Raum und Zeit und bei optischen Frequenzen.
Gemäß der Erfindung umfasst die Vorrichtung zur Beobachtung mit Ladungsteilchen eine im Wesentlichen kontinuierliche, bevorzugt kontinuierliche Quelle von Ladungsteilchen, die einen zumindest teilweise kontinuierlichen, vorzugsweise kontinuierlichen Strahl von Ladungsteilchen entlang einer Hauptstrahlachse aussendet. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Ladungsteilchen Elektronen. Der Ladungsteilchenstrahl propagiert entlang der Hauptachse. Normalerwiese ist diese Bahn im Wesentlichen gerade. Wie der Fachmann versteht und abhängig vom Fall kann diese Bahn auch gekrümmt sein, zum Beispiel aufgrund von elektromagentischen oder Schwerkraft-Feldern aus der Umgebung oder von Elementen der Ladungsteilchenoptik.
Idealerweise ist die Ladungsteilchenquelle eine kontinuierliche Ladungsteilchenquelle wie zum Beispiel eine kontinuierliche Elektronenquelle, also eine Quelle, die derartig angepasst ist, dass sie einen kontinuierlichen Ladungsteilchenstrahl oder Elektronenstrahl aussendet. Allerdings ist die Erfindung auch anwendbar auf Fälle in denen die Ladungsteilchenquelle eine Quelle von längeren Impulsen aus Ladungsteilchen oder Elektronen ist, also Impulsen mit einer Dauer (volle Breite bei halbem Maximum, FWHM) von > 100 Pikosekunden, vorzugsweise > 1 Nanosekunde. Vorzugsweise ist die Ladungsteilchenquelle eine im Wesentlichen oder zumindest teilweise kontinuierliche Ladungsteilchenquelle, vorzugsweise eine zumindest teilweise kontinuierliche Elektronenquelle, zum Beispiel ein thermionischer Emitter aus Wolfram oder LaB₆, oder ein Feldemitter wie zum Beispiel ein Schottky-Feldemitter oder kalter Feldemitter, oder eine Vielfachkathodenanordnung. Die vorliegende Erfindung bevorzugt eine kontinuierliche Ladungsteilchenquelle, akzeptiert aber auch Quellen, die lange Elektronenimpulse aussenden, zum Beispiel mittels elektrischer Umlenkung oder Gatter-Ansteuerung einer normalen, kontinuierlichen Quelle. Die vorliegende Erfindung vermeidet daher vorteilhaft die Verwendung von komplizierteren wenig-Pikosekunden- oder sub-Pikosekunden-Ladungsteilchenquellen oder Elektronenquellen, die auf Femtosekundenlaser-getriebenen Photokathoden beruhen.
Anders ausgedrückt, vermeidet die vorliegende Erfindung insbesondere die Notwendigkeit von Femtosekundenlaser-betriebenen Photokathoden, deren Brillanz und mittlerer Strom normalerweise beschränkt sind, insbesondere wegen der beschränkten Impulswiederholrate von Femtosekundenlasern, die üblicherweise im Bereich von kHz liegt und außergewöhnlich im MHz-Bereich ist, allerdings dort mit relativ niedrigen Laserimpulsenergien.
Die Vorrichtung umfasst weiterhin ein Strahlmodulationselement (siehe unten), angeordnet auf der Hauptstrahlachse, sowie Mittel zur Halterung oder Bereitstellung eines zu prüfenden Objekts, vorzugsweise einen Probenhalter.
Die zu prüfenden Objekte können zum Beispiel nanophotonische Strukturen oder Teil davon sein, wie zum Beispiel Metamaterialien oder Wellenleiterstrukturen. Die Vorrichtung kann so angepasst sein, dass verschiedene Objekte untersucht werden können, wie Moleküle, Biomoleküle, Atome, Kristalle, harte und weiche Materie, Nanostrukturen, Flüssigkeiten, Lösungen oder biologische Proben. Zum Beispiel kann das Mittel zur Halterung oder Bereitstellung eines zu prüfenden Objekts ein Probenhalter sein, wenn nanophotonische Elemente, Kristalle, harte oder weiche Materie, Nanostrukturen oder ähnliches untersucht werden. Wenn Moleküle untersucht werden, kann das Mittel zur Halterung oder Bereitstellung eines zu prüfenden Objekts durch eine passende Gasdüse realisiert werden, die einen Gasstrahl in eine Vakuumkammer aussendet. Wenn Flüssigkeiten oder Objekte in Lösung/Suspension untersucht werden, kann die Flüssigkeit ebenso mit einem passenden Probenhalter gehaltert werden oder mittels einer geeigneten Düse oder Ähnlichem bereitgestellt werden. Weitere geeignete Mittel zur Halterung oder Bereitstellung eines zu prüfenden Objekts sind dem Fachmann bekannt.
Gemäß der Erfindung hat die Vorrichtung weiterhin einen Detektor, vorzugsweise einen zweidimensionalen Detektor und/oder einen Detektor mit Energie/Energieverlust-Auflösung, zur Erfassung von Ladungsteilchen, die von dem zu prüfenden Objekt ausgehen. Anders ausgedrückt ist der Detektor so angepasst, dass er Ladungsteilchen erfasst, die das zu prüfende Objekt passieren, die vom zu prüfenden Objekt gestreut werden, die vom zu prüfenden Objekt ausgesendet werden oder die den Detektor aus der Ladungsteilchenquelle erreichen nach jeglicher Wechselwirkung mit dem zu prüfenden Objekt.
Vorzugsweise ist der Detektor so angepasst, dass er ein Bild des zu prüfenden Objekts erfasst und auf beispielsweise einen Rechnerbildschirm oder Ähnliches überträgt. Geeignete Detektoren sind zweidimensionale Detektoren, die im Fachgebiet bekanntermaßen verwendet werden, um Ladungsteilchenstrahlen oder Elektronenstrahlen zu erfassen. Beispielweise können CCD-Kameras, CMOS-Kameras, direkte Elektronendetektoren oder andere passende Detektoren verwendet werden.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung weiterhin Ladungsteilchenoptik dergestalt dass das zu prüfende Objekt geeignet beleuchtet wird und dass ein Bild oder Beugungsbild oder andere Information über das zu prüfende Objekt in geeigneter Weise auf den Detektor projiziert wird. Durch den Detektor können Abweichungen oder Ablenkungen oder Impulsänderungen im Ladungsteilchenstrahl, die beispielsweise von elektromagentischen Feldern am zu prüfenden Objekt verursacht werden, gemessen werden, mittels Erfassung der entsprechenden Abweichungen im entsprechenden Bild des zu prüfenden Objekts auf dem Detektor. Falls beispielsweise das zu prüfende Objekt ein nanostrukturiertes Element ist, können elektromagentische Felder durch Anregung mit Licht erzeugt werden, beispielsweise durch optisches oder infrarotes Laserlicht oder durch Terahertzstrahlung oder durch Impulse/Impulszüge aus Ladungsteilchen wie zum Beispiel Elektronen.
Gemäß der Erfindung umfasst die Vorrichtung zur Beobachtung mit Ladungsteilchen weiterhin eine im Wesentlichen kontinuierliche Laserquelle, die so angepasst ist, dass sie einen zumindest teilweise kontinuierlichen Laserstrahl aussendet, der (mittels normaler Laserspiegel oder ähnlichen Komponenten zur Laserstrahlführung) auf das Strahlmodulationselement geführt wird, so dass der Ladungsteilchenstrahl den Laserstrahl am Strahlmodulationselement kreuzt und eine Wechselwirkung (zum Beispiel elektromagentische Wechselwirkung) des Ladungsteilchenstrahl und des Laserstrahls eine Modulation des Ladungsteilchenstrahls erzeugt, vorzugsweise eine zeitliche oder seitliche Modulation.
Anders ausgedrückt werden die Ladungsteilchenquelle und die Laserquelle in der Vorrichtung angeordnet und falls nötig Laseroptik und Ladungsteilchenoptik vorgesehen, so dass der Laserstrahl und der Ladungsteilchenstrahl am Strahlmodulationselement überlappen. Beide Strahlen können auf im Wesentlichen denselben Teil oder Punkt des Strahlmodulationselements von derselben Seite aus geführt werden, oder die Strahlen können auf den Strahlmodulationselement von verschiedenen Seiten aus geführt werden, so dass beide Strahlen mindestens innerhalb des Strahlmodulationselements zum Überlapp gebracht werden. Die Anordnung dieser Bestandteile in der Vorrichtung ist demzufolge so zu wählen, dass der Laserstrahl (also seine elektromagnetischen Felder) mit dem Ladungsteilchenstrahl wechselwirkt. Es ist vorteilhaft, die Strahltaille, also den Durchmesser (beispielsweise bei voller Breiter bei halbem Maximum der Intensität, FWHM) des Laserstrahls groß genug zu wählen, so dass die Laserintensität und demzufolge die elektromagnetische Spitzenfeldstärke in dem Bereich der Überlappung mit dem Ladungsteilchenstrahl im Wesentlichen konstant ist quer durch den Ladungsteilchenstrahl.
Der zumindest teilweise kontinuierliche Laserstrahl kann ein Dauerstrichlaser sein, eventuell elektronisch geschaltet oder zeitlich moduliert, oder ein Impulszug von langen und daher im Wesentlichen kontinuierlichen Laserimpulsen, also ein Impulszug von Laserimpulsen mit einer Dauer von mindestens 100 Pikosekunden, vorzugsweise mindestens 1 Nanosekunde. Die vorliegende Erfindung bevorzugt die Nutzung einer kontinuierlichen Laserquelle, akzeptiert aber auch Laserquellen und Ladungsteilchenquellen, die lange Laserimpulse und Ladungsteilchenimpulse erzeugen. Obwohl die genaue Länge nicht wesentlich ist, soll ein langer Impulse im Sinne dieser Erfindung wesentlich länger sein als beispielsweise ein Femtosekundenimpuls. Im Allgemeinen sind akzeptable Ladungsteilchenimpulse und Laserimpulse länger als beispielsweise etwa 100 Pikosekunden, vorzugsweise länger als 1 Nanosekunde. Im Falle dass sowohl die Laserquelle als auch die Ladungsteilchenquelle Quellen derart lange Impulse sind, sind beide Quellen vorzugsweise zeitlich zu synchronisieren.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden vermeidet die vorliegende Erfindung also die Verwendung von ultrakurzen Laserimpulsquellen wie zum Beispiel Femtosekundenlaserquellen, welche unerwünscht komplexe Systeme mit normalerweise beschränkter mittlerer Leistung und Impulswiederholrate sind. Im Gegensatz zu solchen zeitlich kurzen Impulsen mit extrem hoher Frequenzbandbreite ist die vorliegende Laserquelle entweder kontinuierlich oder erzeugt zeitlich lange Impulse mit niedriger Frequenzbandbreite. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Frequenzbandbreite der im Wesentlichen kontinuierlichen Laserquelle kleiner als 10 GHz, vorzugsweise kleiner also 1 GHz und am besten kleiner als 100 MHz. Vorzugsweise ist die im Wesentlichen kontinuierliche Laserquelle ein Dauerstrichlaser (cw-laser) und der im Wesentlichen kontinuierliche Laserstrahl ist ein Dauerstrichlaserstrahl (cw-Strahl).
Die Überlagerung des Ladungsteilchenstrahls und des Laserstrahls am Strahlmodulationselement erzeugt eine elektromagnetische Wechselwirkung der zwei Strahlen. Anders ausgedrückt erfahren die Ladungsteilchen eine Lorentzkraft in den Laserfeldoszillationen. Im freien Raum, also falls ein Elektronenstrahl und der Laserstrahl ohne weitere Elemente überlagern, werden die Ladungsteilchen zwar periodisch beschleunigt durch die elektromagnetischen Felder des Lasers, aber der Gesamteffekt auf die Impulsänderung löscht sich aus, wegen der sinusförmigen Form der Kräfte, so dass der Impuls des Ladungsteilchenstrahls nach der Passage durch den Laserstrahl unverändert bleibt. Um einen Nettomodulationseffekt zu erreichen, also Verdichtung oder Ablenkung, wird das Strahlmodulationselement bereitgestellt, um die Symmetrie, die zur Auslöschung des Effekts führt, zu brechen. Abhängig von der Laserphase verursachen die elektromagnetischen Felder des Lasers in der Überlagerungsregion vor dem Strahlmodulationselement eine periodische Beschleunigung oder Verlangsamung oder seitliche Ablenkung des Ladungsteilchenstrahls, welche sich aufaddieren bis die Ladungsteilchen in das Strahlmodulationselement eintreten; ab diesem Moment herrschen andere Kräfte vor. Somit verbleibt nach der Integration über die gesamte Elektronenbahn eine phasenabhängige Beschleunigung oder Verlangsamung oder Ablenkung die abhängig ist von der Phase des Laserstrahls zum Zeitpunkt an dem die Ladungsteilchen das Strahlmodulationselement passieren.
Das Strahlmodulationselement umfasst vorzugsweise eine Folie oder ähnliche Form. Vorzugsweise hat so eine Folie (oder Platte oder Membran) eine Dicke (zumindest an der Position an der der Ladungsteilchenstrahl passiert) derartig dass die Ladungsteilchen ohne signifikante Verringerung der Strahlqualität durchkommen. Das Strahlmodulationselement kann zum Beispiel aus einer Rahmenstruktur bestehen, die eine Folie am Punkt der Durchdringung durch die Ladungsteilchen vorhält. Andere Arten zur Bereitstellung einer dünnen, folienartigen Struktur an der Position des Ladungsteilchenstrahls sind ebenso möglich. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Dicke der Folie (vorzugsweise am Punkt wo die Ladungsteilchen sie durchdringen) so gewählt, dass die Transmission der Ladungsteilchen höher ist als 50%, vorzugsweise höher als 80% und weiterhin vorzugsweise höher als 90% des Ladungsteilchenstroms auf der Folie.
Wie dem Fachmann bekannt ist, könne heutzutage sehr dünne freitragende Folien mit Dicken herunter bis zu 1 nm geformt werden, zum Beispiel mittels des Materials Graphen, aber Ladungsteilchenstrahlen können auch dickeres Material durchdringen, abhängig von ihrer Energie und Masse. Vorzugsweise hat die Folie eine Minimaldicke zwischen 1 nm und 500 nm, vorzugsweise zwischen 5 nm und 250 nm, weiter bevorzugt zwischen 5 nm und 125 nm, und am besten zwischen 5 nm und 80 nm. Wie dem Fachmann klar ist, kann die Foliendicke über die Fläche variieren mit den üblichen Toleranzen und Ausprägungen gemäß der Folienherstellung. Die Folie kann Löcher haben, kann gekrümmt sein oder verformt. Das Strahlmodulationselement kann andersartig sein, beispielsweise aus parallelen Nanodrähten geformt, oder kann eine passend geformte longitudinale Nanostruktur sein, in der das Laserfeld und die Ladungsteilchen teilweise parallel laufen. Um den gewünschten Effekt zu erreichen, ist das Strahlmodulationselement derart angepasst, dass es die Symmetrie der normalerweise periodischen elektromagentischen Teilchen-Feld-Wechselwirkung bricht, so dass die Kräfte sich nicht nach der Interaktion ausmitteln. Eine Ausgestaltung des Strahlmodulationselements in Form einer Folie ist jedoch besonders vorteilhaft bezüglich Einfachheit und Ausführbarkeit.
Durch geeignete Einstellung der Laserpolarisation bezüglich der Richtung des Ladungsteilchenstrahls kann die Richtung der elektromagnetischen Kräfte des Lasers eingestellt werden, und zwar entweder im Wesentlichen parallel zur Strahlrichtung oder im Wesentlichen senkrecht zur genannten Strahlrichtung. Zu diesem Zweck wird die Laserpolarisation zum Beispiel mit optischen oder elektro-optischen Elementen eingestellt, um bevorzugt elliptisch und weiter bevorzugt linear zu sein, um eine effektive Modulation hervorzurufen.
Durch eine Wahl der Laserpolarisation derart, dass die elektromagentischen Kräfte des Lasers eine Richtung parallel zur Bewegung der Ladungsteilchen haben, verursachen diese Kräfte eine zeitliche Modulation des Strahls mit einer Periodizität, die durch die optische Frequenz gegeben ist. In jedem Tal der zeitlich integrierten Kraft entsteht Verdichtung, also Teilchen vorne werden leicht abgebremst und Teilchen dahinter leicht beschleunigt. Der ursprünglich kontinuierliche Teilchenstrahl wird also moduliert in Abhängigkeit von der Zeit, manche Ladungsteilchen werden beschleunigt und manche abgebremst. Diese periodische Beschleunigung und Abbremsung entlang des Elektronenstrahls erzeugt nach einer festgelegten Laufstrecke eine periodische Verdichtung des Strahls, der sich in einen Impulszug von kurzen Elektronenimpulsen umformt. Dieser Punkt, an dem maximale Verdichtung auftritt, wird im Folgenden als zeitlicher Brennpunkt bezeichnet. Nach diesem Punkt werden die Impulse länger und der Impulszug zerstreut sich. Anders ausgedrückt wird der Ladungsteilchenstrahl durch die Laserfeldoszillationen derart moduliert, dass seine Dichte entlang der Strahlrichtung stark variiert. Die periodische Verdichtung erzeugt eine Abfolge von Strahlbereichen, die eine Spitzendichte haben, gefolgt von Strahlbereichen mit sehr niedriger Dichte. Wir bezeichnen einen so modulierten Strahl als Impulszug von Impulsen, wo jeder Impuls ein Bereich hoher Dichte ist, gefolgt von einem Bereich niedriger Dichte. Wegen der Wechselwirkung mit den sub-optischen Wellenzyklen zwischen dem Laserstrahl und dem Ladungsteilchenstrahl und dem Strahlmodulationselement kann also am Ort der maximalen Verdichtung (zeitlicher Brennpunkt) ein Impulszug von wenig-Femtosekunden- oder Attosekunden-Teilchenimpulsen erreicht werden. In einer bevorzugten Ausführungsform überführt die Wechselwirkung des Ladungsteilchenstrahls und des Laserstrahl den Ladungsteilchenstrahl in einen Impulszug von Ladungsteilchenimpulsen. Anders ausgedrückt bewirkt in einer bevorzugten Ausführungsform die Wechselwirkung des Ladungsteilchenstrahls mit dem Laserstrahl eine Verdichtung der Ladungsteilchen in Impulse auf der Hauptstrahlachse an einem Raumpunkt (zeitlicher Brennpunkt), der sich vom Ort der Wechselwirkung zwischen dem Laserstrahl und dem Ladungsteilchenstrahl unterscheidet.
Dem Fachmann ist klar, dass wegen der üblichen Toleranzen und Unregelmäßigkeiten die Ladungsteilchendichte wahrscheinlich nicht perfekt auf null abfällt zwischen den Impulsen, sondern dass, sehr ähnlich zu Laserimpulsen, teilweise restliche Ladungsteilchen auch zwischen den Impulsen vorhanden sind. Solch ein üblicher Hintergrund (nicht-verschwindende Dichteanteile zwischen den Impulsen) können üblicherweise etwa 30% der Ladungsteilchen beinhalten, während man damit rechnen kann, dass üblicherweise etwa 70% der Ladungsteilchen sich in den Spitzen verdichten. Diese Werte sind nur Beispiele und die tatsächliche Verteilung von Teilchen in Impulse und Hintergrund von der Energiebandbreite und Divergenz der Teilchen, von der Form und Intensität der Laserfeldoszillationen, von Form und Material des Strahlmodulationselements sowie anderen konstruktionsbedingten Gegebenheiten der Vorrichtung abhängen wird.
Durch eine Wahl der Laserpolarisation derart, dass die elektromagnetischen Kräfte des Lasers senkrecht zur Bewegung der Ladungsteilchen sind, verursachen diese Kräfte eine zeitabhängige seitliche Ablenkung. Die Größe der zeitlich integrierten Kraft hängt von der Phase des Laserlichts am Ort der Wechselwirkung mit dem Ladungsteilchenstrahl ab, und seine Richtung ist innerhalb der Ebene der Laserpolarisation. Diese phasenabhängige seitliche Ablenkung kann ausgenutzt werden, um einen Impulszug aus Wenig-Femtosekunden- oder Attosekunden-Teilchenimpulsen herauszufiltern (mittels eines Raumfilters wie beispielsweise eine einfache Blende oder eine einfache Strahlfalle), mit einem Abstand gegeben durch die optische Periodenzeit.
Ein Vorteil der Verdichtungsmethode ist die Bewahrung der räumlichen Strahlparameter und Erzeugung von schlussendlich kürzeren Impulsen, die am zeitlichen Brennpunkt kürzer als die Halbzykluszeit des Lasers werden können, aufgrund der zeitlichen Modulation. Andererseits kann die Ablenkungsmethode mit Raumfilter ebenfalls einen sub-Zyklus-Impulszug hervorrufen für spezielle Anwendungen, zum Beispiel in Verbindung mit der Verdichtung, um Hintergrundteilchen zu beseitigen.
Vorzugsweise erzeugt also die Wechselwirkung des Ladungsteilchenstrahls und des Laserstrahls eine periodische Beschleunigung, vorzugsweise Beschleunigung und Abbremsung, der Ladungsteilchen am Ort der Wechselwirkung zwischen dem Laserstrahl und dem Ladungsteilchenstrahl. Mittels einer Einstellung der Laserpolarisation in der Nähe des Strahlmodulationselements derart, dass Komponenten entlang der Richtung der Ladungsteilchen vorhanden sind, werden die Ladungsteilchen beschleunigt/abgebremst, rufen also eine periodische Verdichtung der Ladungsteilchen hervor, also einen Impulszug von Ladungsteilchenimpulsen. In einer bevorzugten Ausführungsform bewirkt die Wechselwirkung des Ladungsteilchenstrahls und des Laserstrahls also eine Verdichtung der Ladungsträger an einem zeitlichen Brennpunkt (siehe oben).
Durch Einstellung der effektiven Laserpolarisation derart, dass eine elektromagnetische Kraftkomponente senkrecht zur Strahlachse der Ladungsteilchen besteht, ruft die Wechselwirkung alterativ eine periodische und phasenabhängige seitliche Ablenkung hervor. In einer bevorzugten Ausführungsform bewirkt die Wechselwirkung des Ladungsteilchenstrahls und des Laserstahls also eine seitliche Ablenkung zumindest eines Teils der Ladungsteilchen weg von der Hauptstrahlachse. Teilchen innerhalb des Ladungsteilchenstrahls, die mit einer gegebenen Phase des Lasers in Kontakt kommen, werden seitlich aus dem Hauptstrahl abgelenkt. Es gibt also einen Zusammenhang zwischen der seitlichen Impulsänderung und der Laserphase. Aufgrund beispielsweise der Divergenz des Teilchenstrahls, einer unvollkommenen Überlagerung zwischen Laser und Ladungsteilchenstrahl oder Unvollkommenheiten des Strahlmodulationselements mag dieser Zusammenhang nicht ideal sein. Für jede Laserphase kann der Anteil von Teilchen, die die entsprechende seitliche Impulsänderung erlangen, im Extremfall > 50% sein, bevorzugt jedoch < 20% und am besten < 10%, während der entsprechende andere Anteil nicht oder anderweitig abgelenkt wird. Der Anteil der vorzugsweise abgelenkten Teilchen läuft in Abwesenheit weiterer Laserfelder entlang einer neuen Strahlachse in einem Winkel zur Hauptstrahlachse. Wiederrum kann eine solche Strahlachse gekrümmt sein, abhängig von elektromagentischen oder Schwerkraft-Feldern die auf einer solchen Achse vorhanden sind. Ein entsprechend ausgestalteter Raumfilter an einem Ort weiter entlang der Teilchenhauptachse, zum Beispiel eine Blende, trennt die wünschenswerterweise abgelenkten Ladungsteilchen von den anderen. Nach dem Raumfilter entsteht also ein Ladungsteilchenstrahl, der aus Impulsen besteht, deren Dauer einem Bruchteil der Laserzykluszeit entspricht, beispielsweise wenige Femtosekunden oder Attosekunden. Je schmaler und je weiter der Raumfilter platziert wird, desto kürzer werden die Impulse auf Kosten einer Stromreduzierung.
Gemäß der vorliegenden, oben beschriebenen Erfindung wird es also möglich, extrem kurze Impulsdauern am Ort des zeitlichen Brennpunkts oder einem anderen Punkt weiter entlang der Teilchenlaufrichtung zu erzeugen. In einer bevorzugten Ausführungsform ergibt die Verdichtung oder Ablenkung der Ladungsteilchen Impulse aus Ladungsteilchen, die eine Dauer (volle Breite bei halbem Maximum) kürzer als 30 fs, bevorzugt kürzer als 10 fs, weiter bevorzugt kürzer als 5 fs und am besten kürzer als 1 fs haben, an einer Position auf der Hauptstrahlachse (110), die sich von der Position der Wechselwirkung zwischen dem Laserstrahl und dem Ladungsteilchenstrahl unterscheidet, also am zeitlichen Brennpunkt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Wechselwirkung des Ladungsteilchenstrahls und des Laserstrahls so angepasst, dass die Ladungsteilchen am zeitlichen Brennpunkt verdichtet werden. In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform wird das Mittel zur Halterung oder Bereitstellung des zu prüfenden Objekts am Ort dieses zeitlichen Brennpunkts bereitgestellt. Anders ausgedrückt befindet sich das zu prüfende Objekt näherungsweise dort, wo der Ladungsteilchenstrahl sich zeitlich in einen Impulszug mit sub-Zyklus-Dauer verformt hat oder gefiltert wurde.
Obwohl es möglich ist, dass das Strahlmodulationselement aus Metall geformt ist oder Metall enthält, hat sich herausgestellt, dass die Verwendung von dielektrischem oder halbleitendem Material von Vorteil ist. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Strahlmodulationselement also dielektrisches oder halbleitendes Material oder ist aus dielektrischem oder halbleitendem Material gemacht, wie unten beschrieben.
Vorzugsweise umfasst das Material des Strahlmodulationselements also dielektrisches oder halbleitendes Material. Dielektrische Materialien wie beispielsweise Saphir, Siliziumdioxid, Quarzglas, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Diamant, Salzkristalle, Plastik oder Glas sind hoch transparent bei optischen Frequenzen und verkraften daher hohe Laserleistung. In Anbetracht dieser beispielhaften Liste wird der Fachmann weitere dielektrische Materialien erkennen, die nicht erwähnt sind, jedoch gleichermaßen im Sinne der Erfindung verwendet werden können. Dotiert oder undotierte Halbleiter wie beispielsweise Silizium, Germanium, Graphit, Graphen, Galliumarsenid, Galliumnitrid, Zinkselenid, Titandioxid, Siliziumcarbid, Aluminiumnitrid oder ähnliche Einzel- oder Mehrkomponentenhalbleitermaterialien sind zusätzlich teilweise leitfähig, was beispielsweise zur Reduzierung von Aufladungseffekten durch den Ladungsteilchenstrahl hilfreich sein kann. In Anbetracht dieser beispielhaften Liste wird der Fachmann weitere dielektrische Materialien erkennen, die nicht ausdrücklich erwähnt sind, jedoch gleichermaßen im Sinne der Erfindung verwendet werden können. Mischungen aus dielektrischen und halbleitenden Materialien sind ebenso geeignet.
Bevorzugt liegt die Dielektrizitätskonstante des Materials des Strahlmodulationselements zwischen 1 und 10, vorzugsweise zwischen 1.05 und 5, bei einer Dicke wie oben beschrieben, derart dass das Strahlmodulationselement nach Transmission eine optische Phasenverschiebung erzeugt und/oder mittels einer Verringerung des optischen Feldes im Inneren eine verringerte Kraft während der Transmissionszeit der Ladungsteilchen erzeugt, um die Symmetrie der Teilchenbeschleunigung in den Laseroszillationen zu brechen.
Dielektrische oder halbleitende Materialien sind von besonderem Vorteil, weil sie eine hohe Zerstörschwelle bezüglich Laserlicht haben. Daher wird es möglich, beispielsweise einen hoch leistungsfähigen Dauerstrichlaser zu verwenden, um die Feldstärke, die zur Strahlmodulation in einen Impulszug mit sub-Zyklus-Dauer notwendig ist, auf nicht-gepulste Art und Weise zu erreichen, ohne das Strahlmodulationselement zu zerstören und ohne Zeiten zu haben, in denen keine Modulation passiert.
Dies führt zu einer erheblichen Steigerung der erreichbaren Brillanz und mittlerem Strom des Ladungsteilchenstrahls, weil ein kontinuierlicher Ladungsteilchenstrahl mit einem kontinuierlichen Laserstrahl moduliert werden kann, um kontinuierliche Modulation zu erreichen. Durch die Vermeidung eines Femtosekundenlasers für die Elektronenerzeugung und/oder Elektronenmodulation können die begrenzte Brillanz und der begrenzte Strom von gepulst betriebenen Elektronenquellen vermieden werden. Es wird daher möglich, einen Fluss von gepulsten Ladungsteilchen am Probenobjekt derart zu erzeugen, dass er fast denselben mittleren Strom hat wie die Quelle liefert. Dieser Strom ist 1000-mal höher als verfügbar in der ultraschnellen Elektronenmikroskopie. Gleichzeitig kann eine sub-Zyklus-Impulsdauer erreicht werden, die 100 bis 1000-mal kürzer ist als in der ultraschnellen Elektronenmikroskopie.
In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, ein Material aus der vorhergehenden Zusammenstellung zu wählen, welches hochgradig transparent für Laserlicht ist, da so ein Material weniger empfindlich für Schaden durch Absorption ist. Vorzugsweise werden also weniger als 10%, weiter bevorzugt weniger als 1%, weiter bevorzugt weniger als 0.1% und am besten weniger als 0.01% der Laserleistung vom Strahlmodulationselement absorbiert.
Wenn ein Material aus der Gruppe der Dielektrika oder Halbleiter gewählt wird, zum Beispiel aus der oben erwähnten Materialliste, ist es vorteilhaft, Materialien mit niedrigem Schichtwiderstand zu wählen, vorzugsweise niedriger als 10²⁰ Q/sq, um Aufladungseffekte des Strahlmodulationselements durch den Ladungsteilchenstrahl zu vermeiden. Durch eine Verbindung des Strahlmodulationselements, welches mit niedrigem Schichtwiderstand bezüglich Masse gewählt wird, kann eine solche Aufladung vermieden werden.
Es gibt einige spezielle Winkelkombinationen zwischen der Folienlage, dem Lasereinfall und dem Polarisationsvektor, die die Erfindung besonders effektiv machen. Für die Verdichtung muss das optische elektrische Feld des Polarisationszustands des Lasers in der Nähe der Folie teilweise auf die Laufrichtung der Ladungsteilchen projizieren, damit die zeitabhängigen longitudinalen elektrischen Kräfte erzeugt werden, die die Verdichtung verursachen. Für die Ablenkung muss das optische elektrische Feld des Polarisationszustands des Lasers in der Nähe der Folie teilweise senkrecht zur Laufrichtung der Ladungsteilchen sein, um effektive seitliche Kräfte zu erzeugen ohne Auslöschung durch magnetische Ablenkungseffekte. Daher muss nicht direkt die einfallende Laserpolarisation, sondern die effektive Polarisation in der Nähe des Strahlmodulationselements im Sinne des wünschenswerten Effekts eingestellt werden. Im Beispielfall dass der Ladungsteilchenstrahl, der Laserstrahl und die Flächennormale des Strahlmodulationselements alle in derselben Ebene liegen, hat der einfallende Laserstrahl bevorzugt p-polarisierte Komponenten bezüglich des Strahlmodulationselements. Im Falle von s-polarisiertem Einfall gibt es am Ende fast keinen Modulationseffekt, weil die elektrischen und magnetischen Kräfte weitgehend die gegenseitigen effektiven Wirkungen ausgleichen.
Wenn sich der Laserstrahl und der Ladungsteilchenstrahl am Strahlmodulationselement kreuzen, sollte die Lasertaille größer als der Elektronenstrahldurchmesser sein. Vorzugsweise ist der Laserstrahldurchmesser (FWHM) größer als der entsprechende Ladungsteilchenstrahldurchmesser, und zwar vorzugsweise zweimal, besser 2-mal bis 10-mal und vorzugsweise so groß wie die gegebene Laserleistung es erlaubt. So können eine homogene Verdichtung oder Ablenkungsstärke und somit eine näherungsweise gleiche Distanz des zeitlichen Brennpunkts für alle Ladungsteilchen im Strahlprofil erreicht werden.
Um ”Geschwindigkeitsanpassung” zu verwirklichen, was bedeutet dass jeder Teil eines Elektronenstrahls endlichen Durchmessers dieselbe Verdichtung oder Ablenkung erlangt im Strahlprofil, wird der Winkel des Strahlmodulationselements so gewählt, dass der Ankunftszeitpunkt der Elektronen (sich bewegend mit einem Teil der Lichtgeschwindigkeit) und der Ankunftszeitpunkt der Laserfeldoszillationen (sich bewegend mit Lichtgeschwindigkeit) gleich gemacht werden an jeder Stelle auf dem Strahlmodulationselement, indem eine passende Geometrie gewählt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Strahlmodulationselement im Wesentlichen eine Folie oder umfasst eine Folie auf der Hauptstrahlachse unter einem Winkel zum Ladungsteilchenstrahl derart, dass die projizierten Oberflächengeschwindigkeiten der Ladungsteilchen und des Lasers im Wesentlichen gleich gemacht werden. Beispielsweise haben Elektronen bei einer Energie von 70 keV eine Geschwindigkeit von etwa 0,48-mal der Lichtgeschwindigkeit. Die Oberflächengeschwindigkeit bei einem Winkel von 20° ist etwa 1,4-mal die Lichtgeschwindigkeit. Wenn der Laserstrahl, der mit Lichtgeschwindigkeit fortschreitet, unter 45° oder 225° einfällt, hat er ebenfalls eine Oberflächengeschwindigkeit von 1,4-mal der Lichtgeschwindigkeit. Jeder Teil des Elektronenstrahls erfährt daher wirksam dieselbe Zeitverzögerung bezüglich der Laserfeldoszillationen. Andere geeignete Winkelkombinationen für andere Teilchenenergien sind einfach zu berechnen für den Fachmann.
Ein besonderer Wirkungsgrad bei der Verdichtung kann erreicht werden, wenn der Laserstrahl und der Ladungsteilchenstrahl auf die Folie von verschiedenen Seiten auftreffen. Weil der Haupteffekt durch eine Phasenverschiebung zwischen den optischen Wellenoszillationen auf den zwei Seiten verursacht wird, kann dieser Effekt maximiert werden, indem der Ladungsteilchenstrahl in die gegensätzliche Richtung läuft als die Wellenpropagation, in welchem Falle die Laufzeit durch die Folie die effektive Phasenverzögerung beim Eintritt in die Feldoszillationen auf der anderen Seite erhöht anstatt sie zu erniedrigen. In einer bevorzugten Ausführungsform treffen daher der Laserstrahl und der Ladungsteilchenstrahl auf das Strahlmodulationselement von verschiedenen Seiten aus auf.
Vorzugsweise kreuzt der Laser den Ladungsteilchenstrahl unter nahezu 90°. So wird es möglich, dass in einer praktischen Ausführungsform, zum Beispiel in einem Elektronenmikroskop, der Laser über Vakuumfenster auf den Seiten einer Elektronenmikroskop-Säule eintreten und austreten kann. Auf diese Art kann die Anwesenheit des austretenden Lasers innerhalb des Mikroskops oder die Notwendigkeit einer inneren Strahlfalle oder Spiegels vermieden werden. Auf dem Detektor kann somit unerwünschtes Laserstreulicht vom Laser, der zur Elektronenstrahlmodulation verwendet wird, vermieden werden. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt daher der Winkel zwischen der Hauptstrahlachse und der Achse des Laserstrahls zwischen 20° und 160°, vorzugsweise zwischen 45° und 135°, weiterhin vorzugsweise zwischen 60° und 120° und am besten zwischen 80° und 100°.
Vorzugsweise wird nur ein erster Teil des Laserlichts für die Modulation des Teilchenstrahls verwendet. Ein zweiter Teil des Lasers wird abgeteilt und entweder direkt benutzt oder in Harmonische oder andere Frequenzen umgewandelt, um elektromagnetische oder optische Phänomene am zu prüfenden Objekt anzuregen. Wahlweise kann der zweite, abgetrennte Teil des Lasers auch ersetzt werden durch einen anderen Laser, der synchronisiert, also phasengekoppelt ist zum ersten Teil des Laserlichts. Elektromagnetische Felder, die demzufolge im Probenobjekt erzeugt werden, lenken lokal den Teilchenstrahl ab oder ändern seinen Impuls, was am Detektor als entsprechend abgelenktes oder Energie-verändertes Signal erkenntlich wird. Der erkennbare Effekt hängt von der Phasen- oder Zeitverzögerung zwischen den beiden Laserwellen ab, also zwischen der Welle die die elektromagentischen Felder am zu prüfenden Objekt verursacht und der Welle die den Teilchenstrahl moduliert. Durch eine Messung des Teilchenstrahls oder der sekundären Teilchen, die aus dem Probenobjekt austreten, in Abhängigkeit von der Phasenverzögerung zwischen diesen beiden Wellen entsteht ein Anrege-Abfrage-Experiment mit einer Zeitauflösung kürzer als eine optische Oszillationsperiode.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zur Beobachtung mit Ladungsteilchen daher optische Elemente zur Aufspaltung des Lasers und zur Führung eines ersten Laserstrahls auf das Strahlmodulationselement und eines zweiten Laserstrahls auf ein zu prüfendes Objekt, gehaltert durch das Mittel zur Halterung eines Objekts, wobei die optischen Elemente Mittel zur optischen Phasenverzögerung des zweiten Laserstrahls am Ort des zu prüfenden Objekts bezüglich der optischen Phase des ersten Laserstrahls am Strahlmodulationselement umfassen.
Die Mittel zur optischen Phasenverzögerung können zum Beispiel durch opto-mechanische Verzögerung, ein Material veränderlicher optischer Weglänge, einen elektro-optischen oder magneto-optischen Modulator, ein sich bewegendes Stück Material, eine Pockelszelle oder eine einstellbare elektronische Phasenkopplung des Lasers realisiert werden. Weitere geeignete Mittel zur Erzeugung einer Phasenverschiebung oder Verzögerung zwischen zwei Laserstrahlen sind dem Fachmann bekannt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Laser ein Laser mit einzelner Longitudinalmode. Mit so einem Laser ist es möglich, dass der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl oder die Frequenzen, die damit erzeugt werden oder zu denen er gekoppelt ist, zueinander kohärent bleiben selbst im Falle von unterschiedlichen optischen Weglängen. Dies vermeidet außerdem Artefakte, die von einer Welle mit fluktuierender Form am Strahlmodulationselement entstehen könnten.
Um das zu prüfende Objekt geeignet auf den Detektor abzubilden und beispielsweise Ablenkungen oder Energiemodulationen des Ladungsteilchenstrahls durch dort erzeugte Felder sichtbar zu machen, umfasst die Vorrichtung zur Beobachtung mit Ladungsteilchen vorzugsweise geeignete Ladungsteilchenoptik wie beispielsweise Ladungsteilchenlinsen, Zwillingslinsen, Ablenkelemente, Stigmatoren oder Oktopole. Obwohl es im Prinzip möglich ist, das Strahlmodulationselement vor oder nach der Ladungsteilchenoptik zu platzieren, ist eine Platzierung des Strahlmodulationselements vor, also oberhalb eines Teiles der Ladungsteilchenoptik vorteilhaft, um die nötige Laserleistung zu minimieren und gleichzeitig die räumliche Auflösung der Vorrichtung zu bewahren. Mögliche zeitliche Aberrationen der Ladungsteilchenoptik können durch kollineare Ausrichtung und/oder durch Verringerung des Ladungsteilchenstrahls minimiert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zur Beobachtung mit Ladungsteilchen also des weiteren Ladungsteilchenoptik zur Einstellung des Ladungsteilchenstrahls, wobei die Ladungsteilchenoptik entlang der Propagationsachse der Teilchen nach dem Strahlmodulationselement platziert wird.
Prinzipiell ist die vorlegende Erfindung sowohl für positive als auch negative geladene Teilchen anwendbar, zum Beispiel Elektronen, Positronen, Ionen, Protonen oder Alphateilchen. Allerdings hat die vorliegende Erfindung besondere Vorteile im Falle von Elektronen, weil sie aufgrund ihrer Einfachheit leicht in ein vorhandenes Elektronenmikroskop integriert werden kann, was eine immer noch ziemlich kompakte Vorrichtung ergibt, die möglicherweise sub-Femtosekunden Zeitauflösung und Ångström-Raumauflösung bietet. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Ladungsteilchen daher Elektronen und die Ladungsteilchenquelle ist eine Elektronenquelle, beispielsweise ein thermionischer Emitter aus Wolfram oder LaB₆, oder ein Feldemitter wie zum Beispiel ein Schottky-Feldemitter oder kalter Feldemitter, oder eine Vielfachkathodenanordnung, vorzugsweise bei einer Energiebandbreite < 2 eV oder besser < 0.7 eV, weil eine niedrige Energiebandbreite eine Dispersion der verdichteten Impulse auf ihrem Weg zum zeitlichen Brennpunkt vermeidet. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung zur Beobachtung mit Ladungsteilchen ein Elektronenmikroskop oder wird von einem Elektronenmikroskop umfasst.
In Übereinstimmung mit allen obigen Eigenschaften und Gesichtspunkten stellt die vorliegende Erfindung außerdem ein Verfahren zur zeitaufgelösten Beobachtung von ultraschnellen Abläufen bereit. Das Verfahren umfasst das Aussenden eines Ladungsteilchenstrahls aus einer Ladungsteilchenquelle entlang einer Hauptachse; das Führen des Ladungsteilchenstrahls auf ein Strahlmodulationselement, angeordnet auf der Hauptstrahlachse; das Führen des Ladungsteilchenstrahls auf ein zu prüfendes Objekt und die Erfassung der vom zu prüfenden Objekt ausgehenden Ladungsteilchen. Das Verfahren umfasst weiterhin das Modulieren, vorzugsweise zeitliches Modulieren, des Ladungsteilchenstrahls durch Führung eines wenigstens teilweise kontinuierlichen Laserstrahls auf das Strahlmodulationselement, so dass der Ladungsteilchenstrahl den Laserstahl am Strahlmodulationselement kreuzt.
Zusammenfassend, obwohl die bezüglich räumlicher und zeitlicher Auflösung derzeit besten verfügbaren Vorrichtungen auf Femtosekundenlasersystemen basieren, offenbart die vorliegende Erfindung die Erreichung einer weiter verbesserten Zeitauflösung bei Aufrechterhaltung der räumlichen Auflösung durch Abweichung vom Einsatz eines gepulsten Lasersystems. Mittels der in Anspruch 1 dargelegten Gegenstände wird es vorzugsweise möglich, beispielsweise ein normales Elektronenmikroskop mit kontinuierlichem Strahl in eine Vorrichtung mit sub-Lichtzyklus/Attosekunden-Zeitauflösung umzuwandeln, also etwa 1000-mal besser als zuvor. Die vorliegende Erfindung ermöglicht damit die Beobachtung von elektromagnetischen Feldvektoren (und anderer Dynamik) in und um Materie herum mit sub-Lichtzyklus-Zeitauflösung. Die Erfindung benötigt weder einen Femtosekundenlaser, noch eine Photokathoden-Elektronenquelle, noch einen abbildenden Energiefilter, und erhält nichtsdestotrotz vollständig den mittleren Strom und die niedrige Emittanz modernster kontinuierlicher Elektronenquellen (zum Beispiel Feldemitter). Wenn beispielsweise ein vorhandenes Elektronenmikroskop modifiziert werden soll, sind die notwendigen Änderungen einfach und kostengünstig. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst ein Elektronenmikroskop eine Vorrichtung zur Beobachtung mit Ladungsteilchen wie oben beschrieben. In einer wahlweise bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung zur Beobachtung mit Ladungsteilchen ein Elektronenmikroskop.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur zeitaufgelösten Beobachtung von ultraschnellen Abläufen bereitgestellt, welches das Aussenden eines zumindest teilweise kontinuierlichen Strahl von Ladungsteilchen aus einer Ladungsteilchenquelle entlang einer Hauptachse, das Führen des Ladungsteilchenstrahls auf ein Strahlmodulationselement auf der Hauptstrahlachse, das Führen des Ladungsteilchenstrahls auf ein zu prüfendes Objekt und die Erfassung der vom zu prüfenden Objekt ausgehenden Ladungsteilchen umfasst.
Gemäß der Erfindung umfasst das Verfahren weiterhin das Modulieren des Ladungsteilchenstrahls durch Führung eines wenigstens teilweise kontinuierlichen Laserstrahls auf das Strahlmodulationselement, so dass der Ladungsteilchenstrahl den Laserstahl am Strahlmodulationselement kreuzt.
Das erfinderische Verfahren kann mit allen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kombiniert werden, da diese oben im Zusammenhang mit der Vorrichtung zur Beobachtung mit Ladungsteilchen beschrieben worden sind.
5. Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft beschrieben mit Bezug auf die beigefügten Figuren, in welchen:
1 zeigt eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur Beobachtung mit Ladungsteilchen;
2 zeigt Ergebnisse aus numerischen Simulationen, die für einige Beispielparameter die erreichbare Elektronenimpulsverdichtung veranschaulichen.
1 veranschaulicht beispielshaft eine Vorrichtung zur Beobachtung mit Ladungsteilchen. Die gezeigten Winkel und Dimensionen sind lediglich schematisch. Die Vorrichtung hat einen Elektronenquelle 100 zur Erzeugung eines Elektronenstrahls 103, welcher auf ein Strahlmodulationselement auftrifft. Im gezeigten Beispiel ist das Strahlmodulationselement durch eine Folie 400 ausgeführt. Elektronenoptik mittels geeigneter elektromagnetischer Linsen 501 und 503 formen den beleuchtenden Strahl und vergrößern ein Bild auf einen Detektor 300, welcher zum Beispiel eine zweidimensionale Kamera oder ein Elektronenzähler oder ein Energiefilter ist und Intensitätsänderungen durch seitliche Ablenkungen oder Elektronenenergieänderungen als Folge der elektromagnetischen Felder am Probenobjekt erfasst.
Eine kontinuierliche Laserquelle 200, zum Beispiel ein 50-W Dauerstrichlaser mit einzelner Longitudinalmode bei 1.9 μm Wellenlänge wird an der Folie auf einen Strahldurchmesser von etwa 50 μm fokussiert und kreuzt den Elektronenstrahl. Im gezeigten Beispiel erzeugen die elektrischen Felder von etwa 3 × 10⁶ V/m eine zeitliche Modulation des Elektronenstrahls, der also mittels der Laserwelle 203 in eine regelmäßige Abfolge von Elektronenimpulsen mit sub-Lichtzyklus-Dauer verformt wird. Der sich so ergebende Impulszug ist in 1 in Form der gestrichelten Linien 105 gezeigt.
Wie dargestellt, wird ein geeigneter Strahlteiler 205 dazu benutzt, den Laserstahl 201 in einen ersten Laserstrahl 201 und einen zweiten Laserstrahl 223 zu teilen. Wie oben erläutert, kann als Alternative zum Strahlteiler 205 auch ein anderer, zum ersten Laser 201 phasengekoppelter Laser verwendet werden. Der erste Laserstrahl 201 wird für die oben beschriebene Modulation des Elektronenstrahls 103 verwendet und der zweite Laserstrahl 223 wird gegenüber dem ersten Laser phasenverschoben mittels des optischen Phasenschiebers 700, zum Beispiel mit einer opto-mechanischen Verzögerung oder einem elektro-optischen Modulator. Der so phasenverschobene zweite Laserstrahl 223 wird auf ein zu prüfendes Objekt 600 geführt, zum Beispiel eine nanophotonische Struktur oder Wellenleiter, in Überlagerung mit dem Impulszug aus Elektronenimpulsen 105. Der zweite Laserstrahl erzeugt elektromagnetische Felder am zu prüfenden Objekt. Diese Felder führen zu lokalen Ablenkungen oder Impulsänderungen des Elektronenstrahls und diese wiederum werden vom Detektor 300 als entsprechende Abweichungen erfasst. Diese Abweichungen hängen von der relativen Phasenverschiebung zwischen dem ersten und dem zweiten Laserstrahl ab, so dass es möglich wird, den zeitliche Ablauf der elektromagnetischen Felder im Objekt 600 mit Sub-Lichtzyklus.-Zeitauflösung zu verfolgen durch die Erfassung von Detektorbildern 300 für verschiedene Phasenverschiebungen mittels des optischen Phasenschiebers 700 in einer Art Anrege-Abfrage-Experiment.
Einer der Vorteile, der sich durch die vorliegende Erfindung ergibt, ist, dass durch die Verwendung des Strahlmodulationselements 400, welches dielektrisches oder halbleitendes Material umfasst (oder eine geeignete Mischung davon) und wie oben beschrieben ausgeführt ist, die Notwendigkeit zur Benutzung eines Femtosekundenlasers vermieden werden kann. Auf diese Art und Weise können der hohe mittlere Strom und die hohe Brillanz einer im wesentlichen kontinuierlichen Quelle 100 erhalten bleiben und gleichzeitig eine Zeitauflösung kürzer als ein optischer Zyklus erreicht werden.
Der Erfinder hat Experimente durchgeführt und eine 60 nm dicke Siliziumfolie (Norcada Inc.) sowie eine 50 nm dicke SiN-Folie (Plano GmbH) mit einem 50-W Dauerstrichlaser bei 1.9 μm Wellenlänge (ein Thulium-Faserlaser, IPG Photonics GmbH) bei einer Brennpunktgröße von 50 μm getestet. Diese Bedingungen bieten ausreihend Feldstärke für die Formung eines sub-Lichtzyklus-Impulszugs. Obwohl die mittlere Leistung 1000-mal höher ist als erreichbar mit Femtosekundenlasern, zeigten die Folien keinerlei Schaden selbst nach mehreren Minuten Beleuchtung.
2 zeigt die Ergebnisse von numerischen Simulationen zum Impulsübertrag bei den oben genannten Beispielbedingungen. Teil (a) von 2 zeigt die untersuchte Beispielgeometrie zum Zwecke der Verdichtung eines Elektronenstrahls 103 mittels eines kontinuierlichen Lasers 203 an einer halbleitenden Folie 400 (60 nm Silizium). Teile (b) und (c) zeigen die Ergebnisse. Im Beispiel werden Elektronen bei 70 keV Energie und 0,3 eV Bandbreite angenommen. Sie durchdringen die 60-nm Siliziumfolie und überlappen mit einem im Wesentlichen kontinuierlichen Laserstrahl bei 50 W Leistung und 50 μm Strahldurchmesser. Wie oben erörtert hat ein Experiment gezeigt, dass bei diesen Bedingungen die Folie keinen Schaden nimmt.
Teil (b) von 2 zeigt die maximale seitliche Ablenkung in Abhängigkeit der zwei Winkel wie in Teil (a) gezeigt.
Teil (c) zeigt den Ort des zeitlichen Brennpunkts in Abhängigkeit der zwei Winkel.
Aus 2 geht hervor, dass es einen komplexen Zusammenhang zwischen den beiden Winkeln und dem Spitzenimpulsübertrag gibt. Beispielweise löscht sich die seitliche Ablenkung aus für manche Winkelkombinationen, vor allem wenn die Elektronen näherungsweise senkrecht auf die Folie auftreffen (α_rel – α_foil ~ 90°). Andererseits zeigt der longitudinale Impulsaustausch (der zeitliche Verdichtung erzeugt) eine andersartige Winkelabhängigkeit im Vergleich zur Ablenkung. Mit den oben gegebenen Laserparametern kann ein zeitlicher Brennpunkt, also der Ort an dem der sub-Lichtzyklus-Impulszug entsteht, in einem Abstand von näher als 30 mm erzeugt werden. Anders ausgedrückt wird die minimale verdichtete Impulsdauer 30 mm hinter dem Strahlmodulationselement, also der Folie, erreicht.
Die Rechnungen zeigen weiterhin, dass tatsächlich mit einem kleineren Brennpunkt des Laserstrahls und/oder einer Folie mit optimierter Dicke und Material ein zehnmal näherer Ort des zeitlichen Brennpunkts erreicht werden kann, falls dies für die Anwendung nötig ist. Die gepunkteten Linien in 2, Teile (b) und (c) bezeichnen die optimalen Bedingungen für die betrachtete Beispielfolie, also wo der Verdichtungseffekt maximal ist und die Ablenkung minimal. Der Laser-Elektronen-Winkel ist etwa 90°, was in einem Elektronenmikroskop sehr günstig zu realisieren ist, weil der Elektronenstrahl an den Seiten der Elektronenmikroskopsäule (Hauptachse) ein- und austreten kann. Die elektrische Leitfähigkeit von Silizium bei Raumtemperatur und gemäßigter Dotierung ist 10¹–10³ Ωcm. Demgemäß erzeugt eine Elektronenstrahlstrom von 1 nA auf einer 10² Ωcm, 60 nm, 1 mm²-Folie, die an den Kanten geerdet ist, eine Aufladung von nur etwa 10 mV im Zentrum, was unbedeutend ist.
Teil (d) von 2 zeigt die simulierte Form des Elektronenstrahls am zeitlichen Brennpunkt. Er hat sich in einen Impulszug von Attosekunden-Elektronenimpulsen umgeformt, deren zeitlicher Abstand zu den Laseroszillationen synchron ist. Synchrone Anregung und Abfrage des Probenobjekts sind daher ohne großen Aufwand möglich. Mehr als 70% der Elektronen sind in den Spitzen konzentriert und nur 30% sind im Hintergrund. Dieser Teil kann in Abhängigkeit von den Details der Messmethode ein nicht-zeitabhängiges Hintergrundsignal erzeugen, aber dieses kann vom zeitabhängigen Anrege-Abfrage-Teil abgezogen werden mittels einer Referenzmessung ohne Verdichtung und anschließender Normalisierung.
Zusammenfassend ist die Verdichtung eines kontinuierlichen Elektronenstrahls mit Hilfe einer dielektrischen oder halbleitenden Folie und eines im Wesentlichen kontinuierlichen Lasers eine machbare und praktikable Methode, um sub-Lichtzyklus-Zeitauflösung (Attosekunden) zu einem normalen Elektronenmikroskop hinzuzufügen, um zum erstem Mal eine direkte raumzeitliche Erforschung von beispielsweise elektromagnetischen Phänomenen in nanophotonischen Schaltkreisen oder Metamaterialien zu ermöglichen.
Das Projekt, das zu diesem Antrag geführt hat, wurde durch den Europäischen Forschungsrat (ERC) im „Horizon 2020”-Programm für Forschung und Innovation der Europäischen Union gefördert (Bewilligungsnummer 54771-DIVI).

Claims

Vorrichtung zur zeitaufgelösten Beobachtung von ultraschnellen Abläufen durch Ladungsteilchen, mit einer im Wesentlichen kontinuierlichen Ladungsteilchenquelle (100), welche so angepasst ist, dass sie einen wenigstens teilweise kontinuierlichen Strahl von Ladungsteilchen (103) entlang einer Hauptstrahlachse (110) aussendet, einem Strahlmodulationselement (400) auf der Hauptstrahlachse, Mitteln zur Halterung oder Bereitstellung eines zu prüfenden Objekts (600), einem Detektor (300) zum Erfassen von Ladungsteilchen (105), die von dem zu prüfenden Objekt ausgehen, und mit einer im wesentlichen kontinuierlichen Laserquelle (200), die so angepasst ist, dass sie einen wenigstens teilweise kontinuierlichen Laserstrahl (201) aussendet so, dass der Strahl von Ladungsteilchen (103) sich mit dem Laserstrahl (201) kreuzt und eine Wechselwirkung des Ladungsteilchenstrahls und des Laserstrahls (203) eine Modulation des Ladungsteilchenstrahls bewirkt; dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlmodulationselement (400), welches an der Stelle der Wechselwirkung von Laserstrahl und Ladungsteilchenstrahl positioniert ist, an der Stelle der Wechselwirkung ein dielektrisches oder Halbleitermaterial enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Wechselwirkung des Ladungsteilchenstrahls (103) und des Laserstrahls (203) eine periodische Beschleunigung der Ladungsteilchen an der Stelle der Wechselwirkung zwischen dem Laserstrahl und dem Ladungsteilchenstrahl bewirkt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in der die Wechselwirkung des Ladungsteilchenstrahls (103) mit dem Laserstrahl (203) eine Verdichtung der Ladungsteilchen in Impulse an einer Position auf der Hauptstrahlachse im Raum bewirkt, die sich von der Position der Wechselwirkung zwischen Laserstrahl und Ladungsteilchenstrahl unterscheidet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in der die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen dem Ladungsteilchenstrahl (103) und dem Laserstrahl (203) eine seitliche Ablenkung von wenigstens einem Teil der Ladungsteilchen weg von der Hauptstrahlachse (110) bewirkt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Frequenzbandbreite der im Wesentlichen kontinuierlichen Laserquelle (200) kleiner als 10 GHz, vorzugsweise kleiner als 1 GHz und weiter bevorzugt kleiner als 100 MHz ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 und 4, bei der die Verdichtung oder Ablenkung der Ladungsteilchen Impulse von Ladungsteilchen erzeugt, die eine Dauer (volle Breite bei halbem Maximum) kürzer als 30 fs, bevorzugt kürzer als 10 fs, weiter bevorzugt kürzer als 5 fs und am besten kürzer als 1 fs haben, an einer Position auf der Hauptstrahlachse (110), die sich von der Position der Wechselwirkung zwischen dem Laserstrahl und dem Ladungsteilchenstrahl unterscheidet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungsteilchenquelle (100) eine im wesentlichen kontinuierliche Ladungsteilchenquelle (100) ist oder Elektronenimpulse aussendet mit einer Dauer (volle Breite bei halbem Maximum) länger als 100 ps, bevorzugt länger als 1 ns.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlmodulationselement so angepasst ist, dass weniger als 10%, vorzugsweise weniger als 1%, noch bevorzugt weniger als 0.1% und am besten weniger als 0.01% der Laserintensität vom Strahlmodulationselement (400) absorbiert werden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlmodulationselement (400) im Wesentlichen eine Folie ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie so geformt oder abgerundet ist oder Löcher ausweist, dass die Symmetrie der üblicherweise periodischen elektromagnetischen Teilchen-Feld-Wechselwirkung gestört wird.
Vorrichtung nach Ansprüche 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie eine Minimaldicke zwischen 1 nm und 500 nm, vorzugsweise zwischen 5 nm und 250 nm, weiter bevorzugt zwischen 5 nm und 125 nm, und am besten zwischen 5 nm und 80 nm hat.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlmodulationselement (400) eine Folie aufweist, welche auf der Hauptstrahlachse (110) in einem Winkel zum Ladungsteilchenstrahl und Laserstrahl angeordnet ist, derart dass die projizierte Oberflächengeschwindigkeit der Ladungsteilchen und des Laserstrahls gleich gemacht wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (203) und der Ladungsteilchenstrahl (103) auf das Strahlmodulationselement (400) von verschiedenen Seiten aus auftreffen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend optische Elemente zur Aufteilung des Laserstrahls oder Mittel zur Erzeugung eines phasengekoppelten zweiten Laserstrahls und zur Führung eines ersten Laserstrahls auf das Strahlmodulationselement (400) und eines zweiten Laserstrahls auf ein zu prüfendes Objekt (600), welches von einer Halterung gehaltert wird, wobei die optischen Elemente Mittel (700) zur Verschiebung der optischen Phase des zweiten Laserstrahls (223) an der Position des zu prüfenden Objekts (600) bezüglich der Phase des ersten Laserstrahls (203) am Strahlmodulationselement umfassen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser ein Laser mit einer einzelnen Longitudinalmode ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine Ladungsteilchenoptik zur Einstellung des Ladungsteilchenstrahls (103), wobei die Ladungsteilchenoptik auf der Hauptstrahlachse (110) nach dem Strahlmodulationselement (400) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungsteilchen Elektronen sind.
Elektronenmikroskop, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Vorrichtung zur Beobachtung mit Ladungsteilchen gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
Verfahren zur zeitaufgelösten Beobachtung von ultraschnellen Abläufen, umfassend das Aussenden eines wenigstens teilweise kontinuierlichen Ladungsteilchenstrahls (103) aus einer Ladungsteilchenquelle (100) entlang einer Hauptstrahlachse (110); das Ausrichten des Ladungsteilchenstrahls (103) auf ein Strahlmodulationselement (400), welches sich auf der Hauptstrahlachse (110) befindet; das Ausrichten des Ladungsteilchenstrahls (103) auf ein zu prüfendes Objekt (600); die Erfassung von Ladungsteilchen (103), die vom zu prüfenden Objekt (600) ausgehen; weiterhin umfassend die Modulation des Ladungsteilchenstrahls (103) durch einen wenigstens teilweise kontinuierlichen Laserstrahl (203) so, dass der Ladungsteilchenstrahl den Laserstrahl kreuzt; dadurch gekennzeichnet, dass ein Strahlmodulationselement (400) verwendet wird, welches an der Stelle der Wechselwirkung von Laserstrahl und Ladungsteilchenstrahl dielektrisches oder Halbleitermaterial enthält.