DE19963537C2 - Modulationsverfahren zur großwinkligen Ausrichtung von Polarisationsebenen in Lichtstrahlen im Vakuum-Ultravioletten- und Röntgen-Spektralbereich und Vorrichtung zur Verfahrensdurchführung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Modulationsverfahren zur zeitbezogenen, variablen Ausrichtung unter einem großwinkligen relativen Einschlusswinkel ϕ von Polarisationsebenen linear- oder elliptisch polarisierter Lichtstrahlen im Vakuum-Ultravioletten- und Röntgen-Spektralbereich in Bezug auf eine Zielfläche durch veränderbare magnetische und optische Einwirkung auf die Lichtstrahlen in einer Modulationsstrecke und auf eine Vorrichtung zur Verfahrensdurchführung.

Die Mikroskopie und Spektroskopie von magnetischen Domänen oder Strukturen magneto-optisch aktiver Proben gewinnen zunehmend an Bedeu­ tung in der grundlagen- und anwendungsorientierten Forschung, z. B. in der Entwicklung von Speichermedien für schnelle Computer ebenso wie in der Untersuchung nichtmagnetischer Substanzen, die intrinsischen Linear- Dichroismus zeigen, wie z. B. Langmuir Blodget Filme oder Polymere unter Spannung. Von wachsender Bedeutung ist dabei die im Vakuumbereich durchzuführende Anwendung von Synchrotronstrahlung im Vakuum-Ultra­ violetten-(VUV) und Röntgen-Spektralbereich, die große Vorteile gegenüber der klassischen Nutzung sichtbarer Strahlung besitzt. Aufgrund beispielsweise der kleineren Wellenlänge der Synchrotronstrahlung steigt das räumliche Auflösungsvermögen bis in den nm-Bereich- eine notwendige Voraussetzung zur Charakterisierung und Entwicklung neuartiger Nanostrukturen. Zur Charakterisierung magneto-optisch aktiver Systeme werden der "Magnetische- Circular-Dichroismus" (MCD) und in zunehmendem Maße der "Magnetische- Linear-Dichroismus" (MLD) ausgenutzt. Diese Effekte basieren auf der magnetfeld- und orientierungs-abhängigen Wechselwirkung zwischen der zu untersuchenden Probe und der einfallenden zirkular bzw. linear- oder elliptisch (mit zwei Vorzugsebenen) polarisierten Strahlung. Damit können magnetische Phänomene durch einfache Intensitätsmessungen untersucht werden, da die Intensität des transmittierten oder reflektierten Lichtes oder der emittierten Photoelektronen von der Magnetisierung der Probe und der Polarisation des einfallenden Lichtes abhängt. Der Dichroismus kann somit zur mikrosko­ pischen und spektroskopischen Abbildung magnetischer Domänen ausgenutzt werden. Diese magneto-optischen Effekte sind elementspezifisch und fallen im VUV- und Röntgenspektralbereich um Größenordnungen stärker aus als im sichtbaren Spektralbereich. Das räumliche Auflösungsvermögen liegt zur Zeit bei 30 nm.

Nachdem die MCD-Mikroskopie sich in den letzten Jahren erfolgreich entwickelt hat, gibt es nunmehr auch für die MLD-Mikroskopie erfolgver­ sprechende Ansätze. Die Ausnutzung des MLD-Effektes gestattet auch die Abbildung von antiferromagnetischen Domänen und erweitert damit die Möglichkeiten, die durch den MCD-Effekt gegeben sind. Diese Tatsache ist z. B. von Interesse für die Untersuchung magnetischer Übergitter bei oszillie­ renden Zwischenschichtkopplungen in magnetischen Schichtsystemen.

Die Mikroskopie unter Ausnutzung des MLD-Effektes ermöglicht die Dar­ stellung der magnetischen Strukturen durch die Bestimmung des Differenz­ bildes (Differenz der Ausfallsintensitäten, wenn die Einfallsintensitäten gleich waren) aus zwei Bildern, die mit paralleler bzw. senkrechter Orientierung zwischen Probenmagnetisierung und Polarisationsebene der verwendeten Strahlung aufgenommen worden sind. In der Regel werden zur Bildaufnahme die Proben "abgerastert" und von jedem Probenort innerhalb kurzer Zeit (≦ 1 sec) das Differenzbild aufgenommen (vergleiche "X-Ray Microscopy and Spectromicroscopy", J. Thieme et al., Springer-Verlag Berlin-Heidelberg 1998).

Um Proben mittels MLD-Effekt mikroskopisch untersuchen zu können, ist es erforderlich, die Ausrichtungen zwischen Probenmagnetisierung und Polarisa­ tionsebene des einfallenden Lichts unter relativ großen Winkeln ändern zu können. Insbesondere bei Proben mit intrinsischem Linear-Dichroismus oder solche mit fester innerer Struktur ist es zu deren MLD-Untersuchung not­ wendig, die beiden orthogonalen Orientierungen zwischen Probenmagnetisie­ rung und Polarisationsebene realisieren zu können. Dies geschieht entweder durch Vermessung der zu untersuchenden Probe mit Lichtstrahlen, die zueinander unterschiedliche, in der Regel senkrechte Polarisationsebenen aufweisen oder bei Verwendung einer festen Polarisationsebene durch zwei zueinander um die Lichtachse, in der Regel um 90° mechanisch gedrehten Probenpositionen (vergleiche "New Magnetic Linear Dichroism in Total Photoelectron Yield for Magnetic Domain Imaging" von F. U. Hillebrecht et al., Physical Review Letters Vol. 75 (1995), No. 11, pp. 2224-2227 oder "X-Ray Magnetic Dichroism of Antiferromagnet Fe₂O₃: The Orientation of Magnetic Moments Observed by Fe 2p X-Ray Absorption Spectroscopy" von P. Kuiper at al., Physical Review Letters, Vol. 70, No. 10 (1993), pp. 1549-1552). Eine mechanische Probendrehung, wie sie beispielsweise auch bei der Raster­ mikroskopie erfolgt, erzeugt jedoch einen lokalen Versatz zwischen Probenort und abtastendem Lichtstrahl, der deutlich größer als die räumliche Auflösung eines einzelnen Mikroskopiebildes ist, was zu einer Reduzierung der räum­ lichen Auflösung des Differenzbildes führt.

Für die oben zuerst genannte, aus dem Stand der Technik bekannte Möglichkeit, die Polarisationsebene, insbesondere auch von linear oder elliptisch polarisiertem Licht, anstelle der Probe drehen zu können, sollen im Folgenden Ansätze zur Überwindung des in diesem Zusammenhang auftre­ tenden Problems skizziert werden, die aber aus verschiedenen Gründen nicht zur Lösung geführt haben.

Beispielsweise in dem Fachbuch "Gratings, Mirrors and Slits" von W. B. Peatman et al., Gordon and Brench Science Publishers, The Netherlands, 1997, werden Undulatoren und Wiggler zur Erzeugung von Synchrotron­ strahlung hoher Intensität im VUV- und Röntgenbereich beschrieben. Hierbei handelt es sich um periodische Anordnungen von Magneten in gegenüber liegenden Reihen, die durch Ablenkung der Elektronen auf schlangenförmige Bahnen zur Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung von hoher Brillanz und definierter Polarisation führen. Durch entsprechende laterale Verschiebung der Magnetreihen kann unter anderem linear polarisiertes Licht mit horizontaler oder vertikaler Ausrichtung der Polarisationsebene erzeugt werden. Die Ver­ schiebung der Magnetreihen ermöglicht zwar eine Drehung der Polarisations­ ebene des abgestrahlten Lichtes, doch kann die Intensität der einfallenden Strahlung nicht konstant gehalten werden. Das bedeutet, dass bei einem Einsatz derartig ausgerichteter Strahlung zur Erzeugung von Differenzbildern diese nicht die Magnetstruktur der zu untersuchenden Probe widerspiegeln. Außerdem benötigt die Verschiebung der Magnetreihen einige Minuten und ist damit sehr träge, was zum einen zu einer nicht tolerierbaren Messzeit­ verlängerung führt. Zum anderen ist ein Undulator als hochspezialisierter Messaufbau extrem teuer und im Allgemeinen auch nicht ohne Weiteres verfügbar.

In dem Aufsatz "First Results Of The Circularly Polarised Undulator Beamline At BESSY II" von M. R. Weiss et al. (Proceedings SRI 99 - Synchrotron Radiation Instrumentation -, Oktober 1999, Stanfort, USA), von dem die Erfindung als Stand der Technik ausgeht, wird ein anderes zeitbezogenes Modulationsverfahren zur kontinuierlichen, großwinkligen Drehung der Polari­ sationsebene mittels der Undulatoren beschrieben. Hierbei werden zwei Undulatoren als magnetische Modulationselemente nacheinander als Modula­ tionsstrecke installiert, die durch veränderbare magnetische Einwirkung die Lichtstrahlen erzeugen und dabei die Ausrichtung ihrer Polarisationsebene beeinflussen. Dazu erzeugt der erste Undulator linear (oder elliptisch) polarisiertes Licht im Vakuum-Ultravioletten- und Röntgen-Spektralbereich mit horizontaler Polarisationsebene, der zweite Licht mit vertikaler Ausrichtung (oder der entsprechend gewünschten Ausrichtung unter einem großwinkligen relativen Einschlusswinkel) der Polarisationsebenen. Beide Lichtstrahlen sind räumlich getrennt und durchlaufen einen einfachen Chopper in Form einer drehbaren Lochblende, bevor sie auf einen Probenort als Zielfläche treffen. Der Chopper wirkt als Modulationselement veränderbar optisch auf die beiden Lichtstrahlen ein und moduliert die Ausrichtung der Polarisationsebenen in einem Zeitraster. Dieses sehr neue, aber an sich bekannte Modulations­ verfahren basiert jedoch auf einer extrem teuren Anordnung, die Kosten betragen pro Undulator ca. 1 Mio. DM. Außerdem müssen die beiden parallelen Lichtstrahlen im Rahmen der gewünschten Auflösung von ca. 30 nm am Ort der Probe zeitlich und energetisch stabil zur Deckung gebracht werden, was derzeit nicht möglich ist.

Eine weitere Möglichkeit zur Drehung der Polarisationsebene eröffnet die Ausnutzung des Faraday-Effektes. Tritt linear polarisiertes Licht durch einen magnetisierten Film, so kann die Polarisationsebene eine Drehung erfahren. Dies ist ein bekannter Effekt im sichtbaren Spektralbereich. Der Betrag der Faradaydrehung hängt ab von dem verwendeten Material, der Lichtenergie bzw. der Wellenlänge des Lichtes und der Komponente der Magnetisierung des Films, die parallel zur Lichtrichtung liegt. Eine maximale Faradaydrehung kann derzeit in einem schmalbandigen Energiebereich nahe einer Resonanz­ energie des verwendeten Materials beobachtet werden. Die Richtung der Faradaydrehung hängt von der Orientierung von Magnetisierung und Licht­ richtung (parallel/antiparallel) ab. Im VUV und Röntgenbereich ist vor kurzem dieser Effekt von Wissenschaftlern im Rahmen von Grundlagenforschungen auch beobachtet worden (vergleiche unten). Allerdings ist es bisher nicht gelungen, großwinklige Drehungen der Polarisationsebene zu erreichen, wie sie für die Mikroskopie unter Ausnutzung des Linear-Dichroismus notwendig sind. Bisher wurde nur über Faradaydrehungen von 5° und maximal 15° (vergleiche unten) berichtet. Im Vergleich zu diesen erreichten Drehungen wird damit auch genauer definiert, welche Winkel bei der Erfindung von der Bezeichnung "großwinklig" erfasst werden sollen, nämlich solche weit oberhalb der bekannten Drehwinkel. Über die Möglichkeit einer kontinuierlichen Einstellung des Faraday-Drehwinkels ist bei den genannten Arbeiten ebenfalls nicht berichtet worden. Ein Zusammenhang zwischen den genannten Grund­ lagenerkenntnissen und einer möglichen Realisierbarkeit in Polarisations­ verfahren wurde bislang nicht hergestellt.

In dem Aufsatz "Soff x-ray Faraday rotation at Fe L_2,3 edges" von J. B. Kortright et al. (Physical Review B, Volume 51, Number 15, 15.04.1995-I, pp. 10240-­ 10243) berichten die Autoren zum einen von der erreichten Faradaydrehung der Polarisationsebene linear polarisierter Röntgenstrahlung nach Trans­ mission unter feststehendem Lichteinfallswinkel einer eisenhaltigen Probe mit einer Eisen-Gesamtdicke von 80 nm, die zu einer relativ kleinen Faradaydrehung von maximal 4.8° bei einer bestimmten Photonenenergie an der Fe 2p Absorptionskante, d. h. im Röntgenbereich führt. Bei dem zur Messung dieses Faraday-Drehwinkels verwendeten Messgeräts handelt es sich um einen Multilayerspiegel, der auf der klassischen Linear-Polarisa­ tionsmessung nach Rabinovitch basiert. Die in diesem Zusammenhang gebrauchte Terminologie "tuneable polariser" bezieht sich darauf, dass der Multilayerspiegel für verschiedene Wellenlängen der verwendeten Röntgen­ strahlung eingesetzt werden kann. Aus der ermittelten Faradaydrehung kann dann die Faraday-Konstante des Materials (Faradaydrehung pro Schichtdicke) bestimmt werden. Diese berechnen die Autoren zu k = 4.8°/80 nm = 6 × 10⁴ deg/mm, um zu zeigen, dass dieser Wert um einen Faktor 20 größer ist als im sichtbaren Spektralbereich. Unter der Annahme linearen Verhaltens von k könnte man prinzipiell aus diesem k-Wert eine Probenstärke in einer Höhe von ca. 800 nm für die Fe-Schicht bestimmen, die zu den gewünschten großwinkeligen Faradaydrehungen führen könnte. Eine Schicht solcher Dicke ist jedoch nicht mehr ausreichend transparent im VUV- und Röntgen- Spektralbereich.

In dem Artikel "Optics for element-resolved soff X-ray magneto-optical studies" von J. B. Kortright et al. (Journal of Magnetism and Magnetic Materials 191 (1999) pp. 79-89) geben die Autoren einen Überblick über die Möglichkeiten der Polarisationsanalyse und Mikroskopie im Röntgenspektralbereich und berichten von neuen Messungen der Faradaydrehung. Dabei wird Röntgenlicht unter einem festen Einfallswinkel von 30° durch eine 32 nm dicke Fe-Schicht geschickt, was zu einer maximalen Faradaydrehung von 15° bei einer bestimmten Energie im Bereich der Fe 2p-Absorptionskante führt. Hierbei handelt es sich jedoch wiederum um einen einzelnen relativ kleinen Dreh­ winkel, der unter einem festen Einfallswinkel der Strahlung erreicht wird und keine kontinuierliche Drehung der Polarisationsebene von linear oder elliptisch polarisierter Lichtstrahlen zur Erzeugung von großwinkligen Einschlusswinkeln erlaubt.

Vor dem allgemeinen Hintergrund des gewürdigten Standes der Technik und ausgehend im Speziellen von dem weiter oben erläuterten bekannten Verfahren zur Modulation von Polarisationsebenen in Lichtstrahlen im Vaku­ um-Ultravioletten- und Röntgen-Spektralbereich zu deren großwinkliger Aus­ richtung soll es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung sein, ein Modulationsverfahrens anzugeben, mit dem zum einen die großwinkligen Einschlusswinkel zwischen zwei Polarisationsebenen in Bezug auf eine Zieloberfläche beliebig unter Erzielung einer zeitlich hohen Intensitätsstabilität und örtlichen Auflösung kontinuierlich einstellbar sind. Zum anderen sollte das Verfahren einfach sein sowohl in seinen Voraussetzungen, seinem Ablauf und in seiner Handhabbarkeit als auch in seiner apparativen Umsetzung insbesondere im Hinblick auf den Kostenaspekt.

Als Lösung hierfür ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren deshalb vorgesehen, dass die Ausrichtung ausschließlich durch Ausnutzung des Faraday-Effektes erreicht wird, indem die Lichtstrahlen auf der Modulations­ strecke durch eine dünne Membran aus einem den Faraday-Effekt zeigenden magneto-optischen Membranmaterial geleitet werden, die mit einem in der Stärke kontinuierlich von Null bis in die materialabhängige Sättigung und in der Orientierung veränderlichen Magnetfeld B_o . . . B_S magnetisierbar und deren Einfallswinkel θ unterhalb des rechten Winkels zur Ausbreitungsrichtung der Lichtstrahlen verdrehbar ist, und der großwinklige relative Einschlusswinkel ϕ für zwei Polarisationsebenen der Lichtstrahlen kontinuierlich modulierbar ist durch

• A) ausgehend von einem Einfallswinkel θ an der Membran veränderbares Einstellen einer Magnetfeldstärke B₁ zu einer ersten Ausrichtung einer gewählten Polarisationsebene unter einem Drehwinkel ϕ₁ und daran zeitlich anschließend durch veränderbares Einstellen einer Magnetfeld­ stärke B₂ zu einer zweiten Ausrichtung dieser Polarisationsebene unter einem den ersten Drehwinkel ϕ₁ zu dem relativen Einschlusswinkel ϕ ergänzenden Drehwinkel ϕ₂,

und in Abhängigkeit von der zu erreichenden Größe des relativen Einschluss­ winkels ϕ zusätzlich durch

• A) weiteres Drehen der Membran zur Verringerung des Einfallswinkels θ.

Ziel des erfindungsgemäßen Modulationsverfahrens ist die hochgenaue, zeit­ liche Ausrichtung der Polarisationsebene unter einem relativen Einschluss­ winkel ϕ auf einer Zielfläche, in der Regel einer zu untersuchenden Probe. Das linear oder elliptisch polarisierte Licht erfährt bei der Transmission durch die den Faraday-Effekt im VUV- und Röntgenbereich zeigende Membran eine Drehung seiner Polarisationsebene. Die beiden Orientierungen zwischen der Polarisationsebene des Abtaststrahls und der Vorzugsrichtung der feststehen­ den Probe können somit durch die Drehung der Polarisationsebene des Lichtes erzielt werden. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile für die Mikros­ kopie und Spektroskopie unter Ausnutzung des MLD-Effektes bestehen neben einem einfachen Verfahrensablauf also insbesondere darin, dass durch die Drehung der Polarisationsebene die mikroskopischen Informationen an exakt derselben Stelle der Probe bei während der Messung konstanter Lichtintensität aufgenommen werden können. Ein Versatz des Messpunktes durch eine mechanische Drehung der Probe oder durch einen Strahlenversatz wird somit vermieden und eine höhere räumliche Auflösung der Messungen erreicht. Die Mikroskopie unter Ausnutzung des MLD-Effektes benötigt linear polarisierte Synchrotronstrahlung, die in weitaus größerem Maße angeboten wird als zirkular polarisierte Strahlung. Die Erfindung ermöglicht also eine Erweiterung des Anwendungsbereiches der Mikroskopie und Spektroskopie zur Erzielung von material-spezifischen Informationen unter Ausnutzung des MLD-Effektes vom sichtbaren in den VUV und Röntgen-Spektralbereich.

Bei der Faradaydrehung erfährt das linear oder elliptisch polarisierte Licht auf der Modulationsstrecke durch eine geeignete magneto-optische Einwirkung in der Membran eine Drehung der Polarisationsebene um die Faradayschen Drehwinkel ϕ₁ und ϕ₂. Deren Beträge werden in erster Linie festgelegt durch die beiden an der Membran zeitlich nacheinander eingestellten Magnet­ feldstärken B₁ und B₂ und zusätzlich auch durch den Einfallswinkel θ zwischen der einfallenden Lichtstrahlen und der Membran aufgrund der allgemeinen Beziehung

ϕ_1/2 = B_1/2 k d cotan (θ). (1)

Das veränderbare Magnetfeld liegt innerhalb der Membran mit der Dicke d. Diese besteht aus einem den Faradayeffekt zeigenden Material mit der Faradaykonstante k. Der Faraday-Drehwinkel ϕ_1/2 kann aufgrund der ange­ legten Magnetfeldstärke B_1/2 nur so lange kontinuierlich vergrößert werden, bis das Membranmaterial in den magnetischen Sättigungsbereich gelangt (B ≧ B_sat). Danach kann ein weiteres kontinuierliches Anwachsen des Faraday- Drehwinkels nur durch eine Vergrößerung der "magneto-optisch effektiven" Dicke d* (d* = d cotan (θ)) durch eine Verringerung des Einfallswinkels θ erreicht werden. Hierbei werden sowohl die Durchtrittslänge für die Licht­ strahlen durch die Membran als auch die parallel zur Lichtrichtung verlaufende Magnetfeldkomponente und damit die Faradaydrehung vergrößert. Inwieweit eine zusätzliche Veränderung des Einfallswinkel erforderlich ist, hängt dabei von der angestrebten Größe des einzustellenden Einschlusswinkels ϕ ab und ist im Einzelnen vom gewählten Membranmaterial und deren Dicke d sowie vom Energiebereich der Lichtstrahlen abhängig und entsprechend anzu­ passen. Somit kann bei dem erfindungsgemäßen Modulationsverfahren durch die einfache Wahl von zwei anliegenden Magnetfeldstärken in Abhängigkeit von der Einstellung des Einfallswinkels als Kombination der effektbedingenden Parameter jede gewünschte Ausrichtung von zwei Polarisationsebenen der Lichtstrahlen erreicht werden.

Bei der Einstellung der beiden Magnetfeldstärken B₁ und B₂ ist der zu erreichende relative Einschlusswinkel ϕ der relevante Parameter. Zu dessen Umsetzung sind prinzipiell alle sinnvollen Einstellungskombinationen nach dem Superpositionsprinzip möglich. Nach einer Fortführung des erfindungsge­ mäßen Modulationsverfahrens ist es aber besonders vorteilhaft, wenn die beiden Magnetfeldstärken B₁ und B₂ unterhalb der magnetischen Sättigung betragsmäßig identisch sind oder oberhalb davon mit beliebigen Beträgen liegen, aber entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen. Durch die Gleichheit der Beträge unterhalb der Sättigung oder deren beliebige Lage oberhalb der Sättigung wird eine Übereinstimmung der Intensitäten der Lichtstrahlen in den beiden ausgewählten Orientierungen der Polarisationsebenen bewirkt. Insbesondere bei Vergleichsmessungen, die auf Differenzbildung von Einzel­ messungen beruhen, entfallen dadurch zusätzliche Kompensationsschritte, sodass der Messablauf wesentlich vereinfacht und trotzdem in seinen erziel­ baren Messergebnissen verbessert wird. Durch die entgegengesetzte Orientierung der Magnetfeldstärken, die durch eine einfache Umpolung des angelegten Magnetfeldes bewirkt werden kann, addieren sich die jeweils erzeugten Drehwinkel ϕ₁, und ϕ₂ vollständig zu dem relativen Einschluss­ winkel ϕ, da die Faradaydrehungen im und entgegen dem Uhrzeigersinn jeweils von der ungedrehten Grundorientierung der ausgewählten Polarisa­ tionsebene aus erfolgen.

Die Erreichung der kontinuierlichen, hochgenauen Positionierung von zwei Polarisationsebenen unter einem großwinkligen relativen Einschlusswinkel ϕ mit dem erfindungsgemäßen Polarisationsverfahren dient insbesondere, wie bereits erwähnt, dem Ziel, Proben mit intrinsischem Linear-Dichroismus oder solche mit fester innerer magnetischer Struktur unter Ausnutzung des Linear- Dichroismus in Mikroskopie oder Spektroskopie im VUV- und Röntgenbereich untersuchen zu können. Derartige Materialien weisen oft eine stark achsen­ orientierte Strukturierung ihrer charakteristischen Eigenschaften auf. Um diese erfassen zu können, ist es deshalb nach einer nächsten Erfindungsfortführung vorteilhaft, wenn als relativer Einschlusswinkel ϕ ein rechter Winkel für eine orthogonale Ausrichtung der Polarisationsebenen eingestellt wird. Die erste Einstellung ist dann beispielsweise parallel zu einer Hauptachse, beispiels­ weise bezüglich einer Probenmagnetisierung, des zu untersuchenden Materials zu wählen, die zweite Einstellung erfolgt dann im rechten Winkel dazu. Die effektive Dicke d* der Membran kann durch Veränderung des Einfallswinkels θ dann gemäß Formel (1) so gewählt sein, dass der maximale notwendige Drehwinkel ϕ₁ erreicht wird, wenn ein Magnetfeld der Stärke B₁ anliegt. Der zweite einzustellende Drehwinkel ϕ₂ muss die Bedingung |ϕ₁ - ϕ₂| = ϕ = 90° erfüllen und wird durch geeignete Wahl des angelegten Magnet­ feldes B₂ eingestellt. Für B₁ = B₂ weisen die Lichtstrahlen darüber hinaus bei beiden Einstellungen gleiche Lichtintensitäten auf und Differenzmessungen sind besonders einfach und zuverlässig durchführbar.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist einfach durchzuführen und apparate­ technisch umzusetzen. Bei einer bevorzugten Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Modulationsverfahren mit einem auf der Modulations­ strecke angeordneten Modulationselement kann insbesondere vorteilhaft vorgesehen sein, dass das Modulationselement die für das Verfahren notwendige dünne Membran enthält, die aus einem den Faraday-Effekt zei­ genden magneto-optischen Membranmaterial besteht, einen die Membran umgebenden regelbaren Elektromagneten zur variablen Erzeugung eines Magnetfeldes in der Membran aufweist und zur Variation des Einfallswinkels θ zwischen Lichtstrahlen und Membran drehbar gelagert ist. Die Einstellung der beiden Faraday-Drehwinkel ϕ₁ und ϕ₂ durch die Erzeugung entsprechender Magnetfelder B₁ und B₂ durch eine geeignete Spulenbestromung ist eine technisch einfach zu realisierende Möglichkeit der Polarisationsmodulation. Die drehbare Lagerung der Membran im Modulationselement bewirkt deren einfache und kontrolliert regelbare Drehmöglichkeit zur Variation des Einfalls­ winkels θ, um die effektive Dicke d* der Membran verändern und einstellen zu können. Dadurch ergeben sich die Vorteile, dass die Membran als Transmissionselement zum einen die notwendige Dicke aufweist, um zum gewünschten Faraday-Drehwinkel zu führen. Sie ist aber auch nicht dicker als unbedingt notwendig, sodass die Absorption der transmittierten Strahlung so klein wie möglich gehalten werden kann.

Der konstruktiven Ausgestaltung des drehbaren Modulationselements mit Elektrospulen und Membran sind keine Grenzen gesetzt. Hier kann eine Anpassung jeweils an den individuellen Anwendungsfall erfolgen. Ein besonders elegante und trotzdem einfach Konstruktion ergibt sich jedoch, wenn nach einer Erfindungsfortführung der Elektromagnet mit einem dreh­ baren, u-förmigen Eisenkern versehen ist, der zwischen seinen Polen die dünne Membran und auf seiner Jochseite eine Spulenwicklung aufweist. Durch die konstruktive Maßnahme wird der Eisenkern zum stabilen und vielseitigen Traggerüst des Modulationselements, was dessen besonders kostengünstige Herstellung ermöglicht. Aufwendige Zusatzapparaturen und -mechanismen entfallen. Um in diesem Zusammenhang Wiederholungen zu vermeiden, wird an dieser Stelle bezüglich weiterer konstruktiver Details auf den speziellen Beschreibungsteil verwiesen.

Prinzipielle Diagramme zur weiteren Veranschaulichung des erfindungs­ gemäßen Modulationsverfahrens und eine bevorzugte Ausbildungsform einer Vorrichtung zur Verfahrensdurchführung werden nachfolgend anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 ein Diagramm für gemessene Faradaydrehungen,

Fig. 2 ein Diagramm für die gemessene Abhängigkeit der Faraday­ drehung vom Einfallswinkel und

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Modulationsvorrichtung.

Zur näheren Erläuterung des Diagramms in Fig. 1 soll zunächst ein Ausführungsbeispiel für die Auslegung einer geeigneten Membran als Trans­ missionselement in Zusammenhang mit der Fig. 3 beschrieben werden. Dieses Ausführungsbeispiel beschreibt Messergebnisse, die an einer Membran MF, bestehend aus einer 277 nm dicken magneto-optisch aktiven Kobalt- Schicht (Co), aufgedampft auf einer 100 nm dicken Si₃N₄-Schicht, erzielt worden sind. Die Ausrichtung der Polarisationsebene PP wurde mit einem Reflexionsmultilayer nach dem Rabinovitch-Prinzip ermittelt. Linear oder elliptisch polarisierte Synchrotronstrahlung LPB mit horizontaler Orientierung der Polarisationsebene (relativer Einschlusswinkel ϕ = 0°) fällt unter einem Einfallswinkel θ = 37° auf die magneto-optisch aktive Membran MF eines Modulationselements ME.

Das Diagramm gemäß Fig. 1 zeigt eine Messung der Ausrichtung der Polarisationsebene aufgrund der Faradaydrehung für Kobalt (Co) als Mem­ branmaterial. Dazu wird ein Polarisationsanalysator um den Azimutwinkel α gedreht. Die Photonenergie beträgt 774 eV an der Co 2p_3/2-Absorptionskante (vgl. kleines Diagramm). Die normierte Winkelverteilung des einfallenden, ungedrehten Lichtstrahls (Kurve mit Dreiecken) als eine Funktion des Azimutswinkels α zeigt maximale Intensitäten bei α = 0° und α = 180° bezüg­ lich einer horizontalen Polarisationsebene PP. Nach Einschieben eines Kobalt- Films unter einem Einfallswinkel θ = 40° ist eine symmetrische Drehung der Polarisationsebene PP um Drehwinkel ϕ₁, ϕ₂ = ±45° zu verzeichnen, die von der Orientierung des angelegten, im Ausführungsbeispiel gesättigten Magnet­ feldes B_S (Kurven mit vollen Kreisen für Parallelität der magnetischen Momente und leeren Kreisen für Antiparallelität) abhängig ist. Dadurch können große relative Einschlusswinkel ϕ, im gewählten Beispiel im Falle der magne­ tischen Sättigung ein orthogonaler Einschlusswinkel ϕ, einfach, hochgenau und reproduzierbar erzeugt werden.

Gemäß Gleichung (1) - vergleiche allgemeiner Beschreibungsteil - kann durch Variation des Einfallswinkels θ durch eine Drehung der Membran MF die Drehung der Polarisationsebene zwischen ϕ = 0° bei θ = 0° und ϕ = 90° bei θ = 20° eingestellt werden. Die Faradaykonstante k beträgt für diese Probe für den Fall der magnetischen Sättigung k = 12 deg/100 nm. In dem Diagramm gemäß Fig. 2 ist die Abhängigkeit des relativen Einschlusswinkels ϕ aufgrund der Faradaydrehung vom Einfallswinkel θ in das Membranmaterial dargestellt. Die Messergebnisse wurden mit Licht der Photonenergie an der Co 2p_3/2- Absorptionskante erzielt, an der die Faradaydrehung maximal ist. Bei einem Lichteinfall unter der Normalen (θ = 90°) verläuft das Magnetfeld senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Lichtstrahlen und es tritt gemäß Gleichung (1) keine Faradaydrehung auf. Bei einer Verringerung des Einfallswinkels θ ist eine Vergrößerung der Faradaydrehung zu verzeichnen, da die effektive Schicht­ dicke d* für den transmittierenden Lichtstrahl größer wird. Im kleinen Dia­ gramm in Fig. 2 ist die Abhängigkeit des Drehwinkels von der Magnet­ feldstärke für den o. g. Co-Film dargestellt. Die Drehung zeigt eine Hystereseschleife. Die gesättigte Magnetfeldstärke (B < B_S) liegt bei ca. 50 Oe. Für eine Fe-Membran konnten bei 710 eV Photonenenergie Drehungen im Bereich -60° ≦ ϕ ≦ 60° erzielt werden. Weitere Membranen, beispielsweise bestehend aus Ni, den seltenen Erden oder Kombinationen dieser Substan­ zen, sind technisch realisierbar und erweitern den energetischen Anwendungs­ bereich.

In der Fig. 3 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur Verfahrensdurchführung dargestellt. Auf einer Modulationsstrecke MD, entlang der linear polarisierte Strahlung LPB in der die Orientierung ihrer Polarisations­ ebene PP kontinuierlich modulierbar ist, befindet sich ein Modulationselement ME (Polarisationsmodulator). Dieses weist einen u-förmigen Eisenkern FC auf, zwischen dessen Polen POL eine Membran MF (Magnetfolie) angeordnet ist. Um den Jochbereich CA ist eine Spulenwicklung C eines Elektromagneten EM gewickelt, mit deren Hilfe Magnetfelder unterschiedlicher Stärke B und Orien­ tierung +B, -B in der Membran MF generierbar sind. Das Modulationselement ME ist drehbar gelagert und unter einem Einfallswinkel θ zu den einfallenden Lichtstrahlen LPB ausgerichtet. Die durch die magnetisierte Membran MF transmittierenden Lichtstrahlen LPB erfahren je nach herrschendem Magnet­ feld B und eingestelltem Einfallswinkel θ großwinklige Faradaydrehungen ϕ₁, ϕ₂ der Polarisationsebene PP in oder entgegen dem Uhrzeigersinn. Durch entsprechende Wahl der Parameter können beliebige großwinklige relative Einschlusswinkel ϕ kontinuierlich eingestellt werden. Im gewählten Ausfüh­ rungsbeispiel ist eine rechtwinklige Orientierung zur Strukturanalyse einer Probe P mit einer Magnetisierungsrichtung M dargestellt.

Bezugszeichenliste

B Magnetfeldstärke (B₀

. . .B_S

, +/-B, B₁

, B₂

)
C Spulenwicklung von EM
CA Jochbereich von FC
d konstruktive Schichtdicke von MF
d* effektive Schichtdicke von MF
EM Elektromagnet
FC Eisenkern von EM
k Faradaykonstante von MF
LPB linear polarisierte Lichtstrahlen
M Magnetisierungsrichtung von P
MD Modulationsstrecke
ME Modulationselement
MF Membran
P Probe
PP Polarisationsebene von LPB
POL Pol von FC
θ Einfallswinkel von LPB in MF
ϕ relativer Einschlusswinkel zwischen zwei PP
ϕ₁

, ϕ₂

Drehwinkel von PP als Anteile von ϕ

Claims (5)

1. Modulationsverfahren zur zeitbezogenen, variablen Ausrichtung unter einem großwinkligen relativen Einschlusswinkel ϕ von Polarisationsebenen (PP) linear- oder elliptisch polarisierter Lichtstrahlen (LPB) im Vakuum-Ultravio­ letten- und Röntgen-Spektralbereich in Bezug auf eine Zielfläche (P) durch veränderbare magnetische und optische Einwirkung auf die Lichtstrahlen in einer Modulationsstrecke (MD), dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung ausschließlich durch Ausnutzung des Faraday-Effektes erreicht wird, indem die Lichtstrahlen (LPB) auf der Modulationsstrecke (MD) durch eine dünne Membran (MF) aus einem den Faraday-Effekt zeigenden magneto-optischen Membranmaterial (k) geleitet werden, die mit einem in der Stärke kontinuierlich von Null bis in die materialabhängige Sättigung und in der Orientierung veränderlichen Magnetfeld (B_o . . . B_S) magnetisierbar und deren Einfallswinkel θ unterhalb des rechten Winkels zur Ausbreitungsrichtung der Lichtstrahlen (LPB) verdrehbar ist, und der großwinklige relative Einschluss­ winkel ϕ für zwei Polarisationsebenen (PP) der Lichtstrahlen (LPB) kontinuier­ lich modulierbar ist durch

• A) ausgehend von einem Einfallswinkel θ an der Membran (MF) veränder­ bares Einstellen einer Magnetfeldstärke B₁ zu einer ersten Ausrichtung einer gewählten Polarisationsebene (PP) unter einem Drehwinkel ϕ₁ und daran zeitlich anschließend durch veränderbares Einstellen einer Magnet­ feldstärke B₂ zu einer zweiten Ausrichtung dieser Polarisationsebene (PP) unter einem den ersten Drehwinkel ϕ₁ zu dem relativen Einschlusswinkel ϕ ergänzenden Drehwinkel ϕ₂,

und in Abhängigkeit von der zu erreichenden Größe des relativen Einschluss­ winkels ϕ zusätzlich durch

• A) weiteres Drehen der Membran (MF) zur Verringerung des Einfallswinkels θ.

2. Modulationsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Magnetfeldstärken B₁ und B₂ unterhalb der magnetischen Sättigung (B_S) betragsmäßig identisch sind oder oberhalb davon mit beliebigen Beträgen liegen, aber entgegengesetzte Vorzeichen (+B, -B) aufweisen.

3. Modulationsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als relativer Einschlusswinkel ϕ ein rechter Winkel für eine orthogonale Aus­ richtung der Polarisationsebenen (PP) eingestellt wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Modulationsverfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3 mit einem auf der Modulationsstrecke (MD) angeordneten Modulationselement (ME), dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationselement (ME) die dünne Membran (MF) enthält, die aus einem den Faraday-Effekt zeigenden magneto- optischen Membranmaterial (k) besteht, einen die Membran (MF) umgebenden regelbaren Elektromagneten (EM) zur variablen Erzeugung eines Magnetfeldes (B₀ . . . B_S) in der Membran (MF) aufweist und zur Variation des Einfallswinkels θ zwischen Lichtstrahlen (LPB) und Membran (MF) drehbar gelagert ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet (EM) mit einem drehbaren, u-förmigen Eisenkern (FC) versehen ist, der zwischen seinen Polen (POL) die dünne Membran (MF) und auf seiner Jochseite (CA) eine Spulenwicklung (C) aufweist.