Korrekturoptik rückt Röntgenstrahlen in den Fokus

Röntgenstrahlung gehorcht zwar denselben optischen Gesetzen wie sichtbares Licht, lässt sich aber nur schwer fokussieren und ablenken. Und da die Wellenlänge sehr viel kleiner ist als von sichtbarem Licht, können schon winzige Formfehler in der verwendeten Linse dazu führen, dass Röntgenlicht aus dem Fokus herausgestreut wird. Um solche störenden Effekte auszugleichen, haben Wissenschaftler nun maßgeschneiderte Korrekturlinsen entwickelt. Röntgenstrahlen lassen sich damit um ein Vielfaches stärker bündeln als mit der bisher eingesetzten Optik allein: Die Fokussierung liege nahe am theoretischen Optimum, so Frank Seiboth von der Technischen Universität Dresden und seine Kollegen im Fachblatt „Nature Communications“.

Korrekturlinse unter dem Elektronenmikroskop

„Es gibt nur wenige Materialien, aus denen sich geeignete Röntgenlinsen und -spiegel bauen lassen“, erläutert Teammitglied Andreas Schropp vom Forschungszentrum DESY in Hamburg. Die häufig verwendeten Linsen aus dem Element Beryllium sind meist im Zentrum der Linse etwas zu stark gekrümmt. Dadurch wird mehr Licht als physikalisch unumgänglich aus dem Fokus herausgestreut. Für viele Anwendungen spielen diese Fehler keine Rolle. „Wenn Sie jedoch beispielsweise kleine Proben mit dem Röntgenlaser aufheizen möchten, soll so viel Röntgenlicht wie möglich auf eine möglichst kleine Fläche treffen“, sagt Schropp. „Dasselbe gilt für manche abbildenden Techniken, mit denen möglichst detailreiche Aufnahmen von winzigen Proben gewonnen werden sollen.“

Um die Fokussierung zu optimieren, vermaßen die Wissenschaftler zunächst die Fehler in einer portablen Röntgenoptik aus Beryllium. Anhand dieser Daten schnitten sie dann mithilfe eines Präzisionslasers eine passgenaue Korrekturlinse aus Quarzglas. Die Wirkung dieser Linse testeten die Forscher am Röntgenlaser LCLS des Forschungszentrums SLAC in Kalifornien. „Ohne die Korrekturlinse fokussierte unsere Optik rund 75 Prozent des Röntgenlichts auf eine Fläche mit etwa 1600 Nanometern Durchmesser. Das ist in etwa zehnmal so groß wie der theoretisch mögliche Wert“, berichtet Seiboth. Mit der neuen Linse schrumpfte diese Fläche auf einen Durchmesser von rund 250 Nanometern. Im Zentralbereich des Fokus landete so rund dreimal mehr Röntgenlicht als ohne die Korrekturoptik.

An der Röntgenquelle PETRA III am DESY und der britischen Diamond Light Source lieferte die Korrekturlinse eine vergleichbare Verbesserung. „Mit unserer Methode lässt sich im Prinzip für jede Röntgenoptik eine individuelle Korrekturlinse herstellen“, erläutert Koautor Christian Schroer vom DESY. „Die Fokussierung auf quasi das theoretisch Machbare ist nicht nur die Voraussetzung für eine wesentliche Verbesserung verschiedener experimenteller Techniken, sie kann auch völlig neue Untersuchungen ermöglichen, etwa die nichtlineare Streuung von Lichtteilchen an Materieteilchen oder die Erzeugung von Materieteilchen aus der Wechselwirkung von zwei Lichtteilchen.“