Kurzfassung
Interferenzeffekte gehören zu den faszinierendsten optischen Phänomenen. Als Beispiel, verdanken Schmetterlinge und Seifenblasen ihre Farbenpracht der Interferenz von Licht. Diese Erscheinung ist eine Folge des Superpositionsprinzips, das seine Gültigkeit von der Linearität der Wellengleichung der Elektrodynamik bezieht. Wenn zwei elektromagnetische Wellen interferieren, wird das Gesamtfeld zur Summe dieser beiden Felder und wird maßgeblich durch die relativen Phasen bestimmt. Die Schwingungsfrequenz vom optischen oder gar von Röntgenstrahlen ist zu groß, daher können die Felder mit dem menschlichen Auge oder einem anderen Detektor nicht direkt beobachtet werden. Die Phasendifferenzen dieser interferierenden Felder können allerdings deutlich langsamer oszillieren und sind als Variation der Feldstärke messbar. Daher stellt Interferenz eine hervorragende Messmöglichkeit der Phasendifferenzen von Licht dar, welche detaillierte Informationen über die Lichtquelle oder ein Streuobjekt tragen können.
Ob zwei Wellen imstande sind zu interferieren, hängt stark vom Grad der Korrelation zwischen diesen beiden Wellen ab, d.h. ihrer Kohärenz. Bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts war die Kohärenz aller bekannten Quellen niedrig. Es musste ein erheblicher Aufwand betrieben werden, um den Grad der Kohärenz zu steigern, und das Interferenzprinzip zur direkten Phasenmessung zu instrumentalisieren. Erst durch die revolutionäre Entdeckung des Lasers, welcher höchst kohärent ist, wurden Methoden wie Holographie, welche eine direkte Messung vom elektromagnetischen Feld ist, möglich gemacht. Wichtige Beiträge zur Entwicklung der Interferenzmethoden lieferten auch Astronomen, da das Licht von den Sternen aufgrund von sehr großen Abständen zur Erde große transversale Kohärenz aufweist.
Der Bau neuartiger Synchrotronquellen eröffnete Zugang zu partiell kohärenten Strahlen im Röntgenbereich. Neue Forschungsmöglichkeiten mit diesen Strahlen sind entstanden, einschließlich X-ray Photon Correlation Spectroscopy (XPSC), Röntgen Holographie, und Coherent X-Ray Diffractive Imaging (CXDI). In der ersten Methode wird die Dynamik eines Systems erforscht während die zweite und dritte Bildgebungsverfahren von vorwiegend statischen Objekten sind. Die höchst brillianten, kohärenten und ultrakurzen Röntgenpulse an den sogenannten Freie-Elektronen Röntgenlaser versprechen durch Ausnutzung genannter Techniken bahnbrechende Einblicke in Biologie, Festkörperphysik, Magnetismus und andere korrelierte Systeme zu liefern.
Die Interferenz der Felder, die am Objekt gestreut wurden, bildet die Grundlage vieler dieser Methoden. Als solches, ist das Verständnis der Kohärenz neuartiger Röntgenquellen von entscheidender Bedeutung. Dieses Verständnis kann sogar genutzt werden, um die Methoden zu verfeinern. In dieser Arbeit untersuchen wir Kohärenzeigenschaften der Röntgenstrahlen an neuartigen Röntgenquellen. Bestehende theoretische und experimentelle Methoden werden beschrieben und durch neu entwickelte Methoden ergänzt.
Interference effects are among the most fascinating optical phenomena. For instance, the butterflies and soap bubbles owe their beautiful colors to interference effects. They appear as a result of the superposition principle, valid in electrodynamics due to the linearity of the wave equation. If two waves interfere, the total radiation field is a sum of these two fields and depends strongly on the relative phases between these fields. While the oscillation frequency of individual fields is typically too large to be observed by a human eye or other detection systems, the phase differences between these fields manifest themselves as relatively slowly varying field strength modulations. These modulations can be detected, provided the oscillating frequencies of the superposed fields are similar. As such, the interference provides a superb measure of the phase differences of optical light, which may carry detailed information about a source or a scattering object.
The ability of waves to interfere depends strongly on the degree of correlation between these waves, i.e. their mutual coherence. Until the middle of the 20th century, the coherence of light available to experimentalists was poor. A significant effort had to be made to extend the degree of coherence, which made the electromagnetic field determination using of the interference principle very challenging. Coherence is the defining feature of a laser, whose invention initiated a revolutionary development of experimental techniques based on interference, such as holography. Important contributions to this development were also provided by astronomists, as due to enormous intergalactic distances the radiation from stars has a high transverse coherence length at earth.
With the construction of third generation synchrotron sources, partially coherent x-ray sources have become feasible. New areas of research utilizing highly coherent x-ray beams have emerged, including x-ray photon correlation spectroscopy (XPCS), x-ray holography, and coherent x-ray diffractive imaging (CXDI). In the former, the dynamics of a system are explored whereas in the latter two predominantly static real space images of the sample are obtained by phase retrieval techniques. Using the intense, coherent, and ultrashort x-ray pulses produced by so-called x-ray free-electron lasers and energy recovery linacs these techniques promise new insights in structural biology, condensed matter physics, magnetism and other correlated systems.
The key feature of all these methods is the interference between the field scattered by different parts of the sample under study. As such, spatial coherence across the sample is essential and understanding the coherence properties of the beams generated at new generation x-ray sources is of vital importance for the scientific community. This understanding can even be used to improve the applied methods.
In this thesis we aim to describe existing and develop new techniques to study transverse coherence properties of x-ray beams at third and fourth generation sources.