Kurzfassung
Fokussierte harte Röntgenstrahlen im Nanometerbereich sind ein unentbehrliches Instrument an modernen
Großforschungsanlagen mit Synchrotronstrahlung. Diese extrem stark fokussierten Nanosonden
sind notwendig, um höchste räumliche Auflösung bei verschiedensten Techniken in der Röntgenmikroskopie
zu erzielen. Dabei werden zum Beispiel die Elementzusammensetzung, chemische Zustände und
atomare Strukturen lokal abgebildet. Die zu erreichende Auflösung ist durch die Fokusgröße an sich,
als auch durch die verfügbare Dosis begrenzt. Beide Größen werden maßgeblich durch die verwendete
Röntgenoptik beeinflusst. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich deshalb mit der Verbesserung der
Fokussiereigenschaften refraktiver Röntgenoptiken. In diesem Rahmen wurde ein neuartiges Linsenkonzept
entwickelt. Es erlaubt die Verwendung von Beschichtungstechnologien zur Linsenherstellung und
ermöglicht damit den Einsatz von Materialen wie Aluminiumoxid, die zuvor unzugänglich waren, mit
sehr guten optischen Eigenschaften. Die Funktionalität des neuen Linsendesigns und die Eignung von
Aluminiumoxid als Linsenmaterial werden experimentell untersucht.
Ein weiterer Gesichtspunkt dieser Arbeit ist die Beseitigung von Aberrationen in bereits vorhandenen
Optiken mit Hilfe einer Phasenplatte. Am Beispiel von Berylliumlinsen werden zunächst sphärische
Aberrationen hoch präzise mit der Methode der Ptychographie vermessen. Diese Daten werden anschließend
verwendet, um eine exakt angepasste Phasenplatte zu konstruieren. Die Herstellung erfolgt
aus Quarzglas mit Hilfe eines Kurzpulslasers durch Materialabtrag. Bei Experimenten an verschiedenen
Synchrotronstrahlungsquellen konnte der Einfluss von sphärischen Aberrationen auf das Wellenfeld um
eine Größenordnung reduziert werden. Die korrigierte Optik erzielt damit fast die nominelle Beugungsbegrenzung,
was sich vor allem durch deutlich reduzierte Nebenmaxima und damit in einer erhöhten
Maximalintensität im zentralen Fleck des Beugungsscheibchen äußert. Sich daraus ergebende Vorteile
und neue Anwendungsmöglichkeiten dieser aberrationsfreien, strahlenharten und zugleich transparenten
Röntgenoptik werden diskutiert.
Nanofocused hard x-ray beams are an essential tool at modern synchrotron radiation facilities. Tightly focused probe beams are mandatory to reach highest resolution in various x-ray microscopy schemes mapping the local elemental composition, chemical state, or atomic structure. Achievable spatial resolution is typically limited by the probe size itself and the applied dose. Both parameters are strongly dependent on the focusing quality and efficiency of x-ray optics used. This thesis focuses on the improvement of refractive hard x-ray optics. A new lens design is introduced that facilitates the use of coating techniques to fabricate lenses. This enables one to exploit x-ray optically favorable materials like aluminum oxide that were inaccessible beforehand. Experimental results proof the working principle of this new lens design and demonstrate the feasibility of aluminum oxide as a suitable material for refractive x-ray optics. In addition an aberration correction scheme based on a corrective phase plate, applicable to various x-ray optics, is presented. On the example of beryllium lenses spherical aberrations are characterized by means of ptychography. Based on this knowledge a corrective phase plate was designed and matched exactly to the specific optical element. It consists of fused silica and is machined by laser ablation. Experiments on different synchrotron radiation facilities are performed, demonstrating a reduction in the strength of spherical aberrations by an order of magnitude. The corrected optical element performs nearly at the diffraction limit, eliminating disadvantageous side lobes and increasing the peak intensity in the focal plane simultaneously. Benefits and possible new application fields for this aberration free, radiation hard, and efficient refractive hard x-ray optics are outlined.