Development and Application of a XUV Laser Light Source for Photoelectron Spectroscopy of Solutions

Abstract

Ultrashort laser pulses allow the investigation of electron dynamics in materials through a variety of time-resolved spectroscopical methods. Especially the application of transient photoelectron spectroscopy in a pump- probe scheme enables simultaneously the investigation of the binding energy of excited electronic states and their relaxation dynamics. To expand the application area of transient photoelectron spectroscopy, the extension of the available photon energies of the probe laser from the spectral range of UV light through the range of XUV radiation until the range of soft X-ray radiation, while at the same time conserving the characteristics of the ultrashort laser pulses stands in the focus of the technicaldevelopment. This thesis contributes to this field through the development and commissioning of a laser based setup for ultrafast pump-probe photoelectron spectroscopy of liquids. The setup enables the application of UV-IR pump-laser pulses and XUV probe-laser pulses. The XUV radiation is generated from femtosecond IR laser pulses in the nonlinear optical process of high harmonic generation in a rare gas. From the resulting XUV frequency comb, the 21st harmonic of the IR laser is chosen for the spectroscopy experiment. Special care has been taken to preserve the ultrashort time duration of the XUV radiation upon monochromatizing the HHG spectrum. At the same time, the beamline was constructed with two optical elements only, in order to provide stable beam pointing, and a high throughput of photons. The result is a beamline, that consists of an ORZP monochromator, and a toroidal mirror. The ORZP is a new type of monochromator developed at the synchrotron BESSY II. It combines a high diffraction efficiency with a small elongation of the temporal profile of the XUV laser pulses. To evaluate the ORZP performance, the monochromatized XUV radiation has been systematically characterized with respect to focus size, spectral width and pulse duration at the point of the PES experiment. In the second part of this work, the application of the XUV light source to two model systems was evaluated. The first system of aqueous sodium halide solutions serves as a model for ionic solvation, and were investigated with the use of static XUV PES. The study reveals that the HHG light source adds further aspects to existing synchrotron based studies. The second system of a hemin-DMSO solution serves as a model for natural, organic dyes in solution and was investigated with transient PES.

Ultrakurze Laserpulse ermöglichen über eine Vielzahl zeitaufgelöster Spektroskopieverfahren die Untersuchung der Elektronendynamik von Materialien. Insbesondere mittels des Anregungs-Abfrage-Schemas erlaubt transiente Photoelektronenspektroskopie die gleichzeitige Bestimmung von Bindungsenergien und Lebensdauern angeregter elektronischer Zustände. Um die Möglichkeiten transienter photoelektronenspektroskopie auszubauen steht die Erweiterung der verfügbaren Photonenenergien vom Spektralbereich des UV-Lichts über den Bereich der XUV-Strahlung bis hin zu weicher Röntgenstrahlung, bei gleichzeitigem Erhalt der Lasercharakteristika, im Fokus der technischen Entwicklung. Diese Arbeit trägt zu dem Feld durch die Entwicklung und Inbetriebnahme eines Versuchsaufbau für ultraschnelle Anregungs-Abfrage- Photoelektronenspektroskopie von Flüssigkeiten bei. Der Aufbau ermöglicht die Verwendung von UV-IR Laserpulsen zur Anregung und die Verwendung eines XUV Abfragelaser. Die XUV Strahlung wird durch den optisch nichtlinearen Prozess der Erzeugung hoher Harmonischer eines IR-Femtosekundenlasers in einem Edelgas gewonnen. Aus dem erzeugten XUV Frequenzkamm wird die 21ste Harmonische des IR-Lasers für das Spektroskopieexperiment ausgewählt. Besonderes Augenmerk lag dabei auf dem Erhalt der ultrakurzen Pulsdauer der XUV-Strahlung beim monochromatisieren des HHG Spektrums. Gleichzeitig wurde die Beamline mit wenigen optischen Elementen konstruiert, um eine möglichst stabile Strahllage und eine hohe Transmission von Photonen zu erreichen. Als Resultat entstand eine Beamline, die aus einem ORZP-Monochromator und einen Refokussierspiegel besteht. Die ORZP ist ein neuer Monochromatortyp, der am Synchrotron BESSY II entwickelt wurde. Er bietet eine hohe Beugungseffizienz bei gleichzeitiger geringer Verlängerung der XUV Laserpulse. Um die Leistung der ORZP zu bewerten, wurde die monochromatisierte XUV-Strahlung systematisch mit Hinblick auf Fokusgröße, Spektralbreite und Pulsdauer am Ort des PES-Experiments charakterisiert. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die Anwendung der XUV Lichtquelle auf zwei Modellsysteme untersucht. Im ersten System dienten wässrige Natriumhalogenidlösungen als Modell für die Solvatisierung von Ionen und wurden mittels statischer XUV PES untersucht. Die Studie zeigt die Möglichkeiten der HHG-Lichtquelle, weitere Beiträge zu synchrotronbasierten Studien zu leisten. Das zweite System einer Hämin-DMSO-Lösung dient als Modell für natürliche, organische Farbstoffe in Lösung und wurde mittels transienter PES untersucht.