Fokussierung

Der Laserstrahl wird für alle Wellenlängen durch eine plankonvexe Linse aus CaF₂ (Lin-se L1 in Abb. 4.6), mit einer geometrischen Brennweite von 250 mm, auf die Probe fokussiert. Über den 3D-Lineartisch PT3/M-Z8 der Firma Thorlabs kann die Linse in alle drei Raumrichtungen um 25 mm verfahren werden. Über diese Bewegung kann der Fokus im dreidimensionalen Raum bewegt werden. Unter der Annahme eines parallel einfallenden Strahls ist dies ersichtlich: parallel einfallendes Licht wird stets auf die opti-sche Achse der Linse fokussiert. Wird die Linse senkrecht zum einfallenden Licht bewegt, verschiebt sich die optische Achse entsprechend und damit auch der Fokus. Durch eine Verschiebung, parallel zum einfallenden Licht wird durch die konstante Brennweite auch der Fokuspunkt um den gleichen Wert in dieser Richtung verschoben. Wie im vorherigen Abschnitt 4.1.3 gezeigt, ist der Laserstrahl nicht parallel. Bei einem divergent einfallen-den Strahl bleiben der qualitative Zusammenhang zwischen der Bewegung der Linse und dem Fokuspunkt erhalten, die Änderung des Fokuspunktes entspricht aber nicht mehr direkt der Änderung der Linse. Über eine Verschiebung der Linse in der yz-Ebene wird der Strahlengang auf den Apex der Probe ausgerichtet. Der Fokus wird durch eine Be-wegung in der x-Richtung mit dem Apex in Übereinstimmung gebracht. Abbildung 4.9 zeigt die Abhängigkeit des Strahldurchmessers am Ort der Probe von der x-Koordinate des Lineartischs. Der minimale Fokusdurchmesser liegt für alle drei Wellenlängen im Bereich von 100 µm. Für 532 nm und 1064 nm ist jeweils ein klares Minimum festzu-stellen, wohingegen es für 355 nm über die gesamten 25 mm fast keine Änderung im Durchmesser gibt. Diese Abhängigkeit spiegelt sich auch in den Ergebnissen der Fits mit der Gleichung [97] wieder, die in der Tabelle 4.3 zusammengefasst sind. Gleichung 4.1 beschreibt den Durch-messer des Laserstrahls 2W₀ um den Fokuspunkt bei x₀²³. Dabei gibt z₀ den Abstand von x₀ an, bei dem der Strahldurchmesser auf √

2·2W₀ angewachsen ist.

Nach der Linse L1 tritt der Laserstrahl über ein Quarzglas Fenster in die Hauptkammer ein, trifft auf die Probe und tritt durch ein weiteres Quarzglas Fenster wieder aus der Hauptkammer aus (Abb. 4.6). Nach dem Austritt aus der Hauptkammer gibt es drei Möglichkeiten: Der Laserstrahl

1. passiert die Linse L2 und trifft auf eine Si-Photodiode.

2. trifft auf den thermischen Messkopf S302C der Firma Thorlabs. 3. trifft auf einen Absorber.

23Der Parameterx0 gibt die Position des Lineartischs an, bei der der Fokus auf der Probe liegt. Der reale Abstand des Fokus von der Linse ergibt sich aus der Addition einer unbekannten Konstante zu x₀.

Johannes Maier Mikrostruktur von Lithium-Mangan-Oxid 53

4 Laser-unterstützte Atomsondentomographie in Göttingen

Abbildung 4.9

Darstellung des Durchmessers des Laserstrahls am Ort der Probe in Abhängigkeit derx-Koordinate des 3D Lineartischs für die Wellenlängen 355 nm, 532 nm und 1064 nm. Als Absorptionsmedium wurde ein W-Draht mit 300 µm Durchmesser verwendet. Beim Abrastern des W-Drahts ergeben sich Spannungsprofile aus dem Signal der Photodiode und dery-Koordinate des Lineartischs. Aus dem Fit dieser Profile geht der Strahldurchmesser 2W(x) hervor. Die Unsicherheiten aus den Fits sind kleiner als die dargestellte Symbolgröße und daher nicht sichtbar.

Wellenlänge/nm 355 532 1064

Position min. Durchmesser x₀/mm 14,7(6) 17,6(2) 21,5(2) Fokusdurchmesser 2W₀/µm 125,2(6) 86,8(4) 136,8(6)

Fokuslänge 2z₀/mm 62(4) 22,2(4) 25,0(2) max. Energiedichte/µJ mm⁻² 100(2) 235(3) 287(3)

Tabelle 4.3

Fokusparameter aller Wellenlängen durch Fokussierung mit Linse L1. Die max. Energiedichte M wurde nach der GleichungM =^2,55/(2W₀)²·P mit den PulsenergienPbei 0 % Abschwächung (Abb.

4.5, Abb. B.2, Abb. B.3) berechnet.

54 Mikrostruktur von Lithium-Mangan-Oxid Johannes Maier

4.1 Aufbau

Der Absorber oder der thermische Messkopf kommen während einer Analyse zum Ein-satz. Mit dem Messkopf kann dabei die Laserleistung überwacht werden. Der Aufbau aus Linse und Photodiode wird für die Justage des Fokus verwendet. Auf dem Si-Chip befindet sich keine Beschichtung und die Photodiode eignet sich für einen Wellenlängen-bereich von 200 nm bis 1100 nm. Über einen Widerstand wird die durch den Photostrom erzeugte Spannung abgegriffen und verstärkt.²⁴ Dieses Spannungssignal wird von einem Keithley 2700 aufgezeichnet. Eine Labview Software²⁵ zeichnet die Spannungswerte auf und steuert den 3D-Lineartisch. Die Positionierung des Fokus passiert mit den folgenden Schritten:

1. Diex-Achse der Stage wird auf den Wertx₀ (Tab. 4.3), je nach gewählter Wellen-länge, eingestellt.

2. Linse L1 wird senkrecht zur Probenachse (y-Achse) verfahren und gleichzeitig das Signal der Photodiode aufgezeichnet (Abtastung). Trifft der Laserstrahl auf die Probe, tritt weniger Licht aus der Hauptkammer aus und es gibt einen Einbruch in der Auftragung des Photodiodensignals gegen y.

3. Die Linse L1 wird parallel zur Probe einen Schritt in (-z)-Richtung verschoben und Schritt 2 wird wiederholt.

4. Der 3. Schritt wird nun so lange wiederholt, bis das Minimum in der Auftragung des Photodiodensignals gegen y gerade verschwunden ist. Dann befindet sich der Fokus auf dem Apex der Probe.

Der y-Wert für die ideale Fokuspositionierung ist die Position des letzten Minimums.

Diese Position kann zwischen den abgetasteten z-Positionen variieren, da die Proben in den meisten Fällen nicht ideal gerade ausgerichtet sind. Der z-Wert für die ideale Fokuspositionierung entspricht der letzten verwendeten Einstellung.²⁶ Abbildung 4.10 zeigt den Spannungswert, farblich kodiert in Abhängigkeit der beiden Koordinaten y und z, von der regelmäßigen Abtastung einer Probe. Diese Methode ermöglicht die Jus-tage des Fokus mit einer Genauigkeit im Bereich von 10 µm. Die Präzision liegt somit im Bereich von ¹/10des Fokusdurchmessers, was eine ausreichende Genauigkeit darstellt.

Eine Verbesserung der Justage während einer Analyse ist nicht notwendig, aber möglich.

Dazu wird in kleinen Schritten (<10 µm) iny- undz-Richtung verfahren und der Punkt mit dem höchsten Fluss für die Feldverdampfung gesucht. Eine Nachführung des Fokus

24Die Schaltung zur Verstärkung des Signals wurde in der Elektronikwerkstatt des Instituts für Materialphysik der Georg-August-Universität Göttingen gebaut.

25Programmiert von Axel Frerking, während seiner Bachelorarbeit am Institut für Materialphysik der Georg-August-Universität Göttingen [96].

26Für eine schnelle und gleichzeitig präzise Positionierung des Fokus empfiehlt es sich mit einem großen Abtastbereich und hoher Abtastgeschwindigkeit in y-Richtung und großen Schritten in (-z)-Richtung zu beginnen. Der Abtastbereich, die Abtastgeschwindigkeit und diez-Schrittweite kann dann im Verlauf bis zur gewünschten Genauigkeit minimiert werden.

Johannes Maier Mikrostruktur von Lithium-Mangan-Oxid 55

4 Laser-unterstützte Atomsondentomographie in Göttingen

Abbildung 4.10

Ergebnis der Abtastung einer Spitze. Aufgetragen ist die normierte Laserintensität, gemessen durch die Photodiode als Farbkonturdarstellung gegen die beiden Koordinaten y undz des 3D Linear-tischs. Aufgenommen mit 532 nm und bei x0= 17,6(2) mm.

mit fortschreitender Analyse ist aufgrund des Unterschieds von drei Größenordnungen zwischen dem Fokusdurchmesser und der typischen Analysetiefe im Bereich von einigen 100 nm nicht notwendig. Die relativ großen Fokusdurchmesser haben den weiteren Vor-teil, dass die Probe stets im Laserstrahl bleibt und nicht, zum Beispiel durch Vibrationen (vgl. Abschn. 4.1.1), aus diesem heraus schwenkt.