With the increasing availability and performance of laser-driven high harmonic sources operating in the extreme ultraviolet (XUV) spectral range, there is an ever-increasing demand of optical technologies suitable for the photon handling and conditioning of this radiation sources. For this reason, this thesis describes the activities carried out for the design, realization, and characterization of different optical instruments for the conditioning of XUV and soft x-ray sources. Polarized radiation in the XUV spectral range is a powerful tool for many experiments and investigations of light-matter interaction. Therefore, it is of great importance to analyze the polarization of light before and after interaction with the sample under investigation. The ellipticity of visible and near ultraviolet radiation can easily be determined with transmission polarizers and phase shifters, for example \(\lambda/4\) plates. In the extreme ultraviolet spectral region a lack of transmitting materials complicates this task. In order to produce polarized light or to analyze the polarization of light in this spectral region a different approach based on changes in the amplitudes and phases of light upon reflection must be used. The first contribution reports the activity carried out for the design and the development of a reflection polarimeter, using gold and ruthenium optics. An extensive and systematic set of measurements of the Stokes parameters has been performed on a synchrotron beamline, with a wide range of photon energies. The results indicate the capability of the proposed reflection polarimeter to effectively analyze the polarization state of the incoming radiation and to enable ellipsometric measurements on thin films. The second contribution consists of the design and the development of a low-cost deformable grating system to be installed as part of a monochromator for the spectral selection of ultrafast XUV pulses in a High-Harmonic Generation (HHG) beamline. We demonstrate the effectiveness and the good performance of the system, while keeping it a cheap solution for many laboratories on tight budgets. The third activity regards the upgrade of a time-delay compensated monochromator installed in a HHG beamline in Milan. The instrument has been characterized in terms of its efficiency (throughput) and its temporal performance, demonstrating the ability to handle ultrashort (femtosecond regime) XUV pulses with a good photon flux for subsequent experiments.

La disponibilità sempre maggiore di sorgenti ottiche nel range spettrale dell’estremo ultravioletto (XUV) e dei raggi X soffici richiede lo sviluppo di tecnologie e strumentazione ottica per il condizionamento di questo tipo di radiazione. Questa tesi tratta dello studio, la realizzazione, e la caratterizzazione di diversi strumenti ottici per la manipolazione della radiazione XUV e dei raggi X soffici. La radiazione polarizzata nell'estremo ultravioletto costituisce uno strumento eccezionale per una grande varietà di esperimenti, per questo motivo è di fondamentale importanza essere in grado di analizzare lo stato di polarizzazione della luce prima e dopo l'interazione con il campione in analisi. L'analisi della polarizzazione nel range del visibile e dell'UV vicino è facilmente realizzabile con polarizzatori in trasmissione come, ad esempio, le lamine a \(\lambda/4\). Nell'estremo ultravioletto l'assenza di materiali trasmissivi complica questo processo. Per manipolare e misurare la polarizzazione della luce in questo range spettrale, è richiesto un approccio diverso, basato sul cambio di ampiezza e fase della luce a seguito di una riflessione. La prima attività di questa tesi tratta dello sviluppo e la realizzazione di un polarimetro a riflessione con ottiche di oro e rutenio. Una serie di esperimenti con radiazione di sincrotrone ha permesso una sistematica analisi dei parametri di Stokes della radiazione, in un ampio range di energie. I risultati ottenuti dimostrano che il polarimetro sviluppato costituisce un ottimo strumento per l'analisi dello stato di polarizzazione della luce e permette, inoltre, di eseguire misure ellissometriche su film sottili. La seconda attività consiste nello sviluppo e la realizzazione di un sistema a basso costo per reticoli di diffrazione deformabili, pensato per essere installato in un monocromatore per la selezione spettrale di impulsi XUV ultrabrevi all'interno di una linea di luce per la generazione di armoniche superiori (HHG). Una serie di misure ci ha permesso di concludere che il sistema proposto è una soluzione valida ed efficace, oltre che a basso costo, risultando molto vantaggioso soprattutto per laboratori con budget limitati. La terza attività riguarda l'aggiornamento e il potenziamento di un monocromatore compensato nel tempo installato in una linea di luce HHG a Milano. Lo strumento è stato caratterizzato dal punto di vista dell'efficienza e della risposta temporale, dimostrando che il sistema è adatto per il condizionamento di impulsi XUV ultrabrevi (nel range dei femtosecondi), presentando inoltre un buon flusso di fotoni per esperimenti a valle del sistema.

Strumentazione per polarimetria e spettroscopia nell'estremo ultravioletto / Samparisi, Fabio. - (2022 Mar 08).

Strumentazione per polarimetria e spettroscopia nell'estremo ultravioletto.

SAMPARISI, FABIO
2022-03-08T00:00:00+01:00

Abstract

La disponibilità sempre maggiore di sorgenti ottiche nel range spettrale dell’estremo ultravioletto (XUV) e dei raggi X soffici richiede lo sviluppo di tecnologie e strumentazione ottica per il condizionamento di questo tipo di radiazione. Questa tesi tratta dello studio, la realizzazione, e la caratterizzazione di diversi strumenti ottici per la manipolazione della radiazione XUV e dei raggi X soffici. La radiazione polarizzata nell'estremo ultravioletto costituisce uno strumento eccezionale per una grande varietà di esperimenti, per questo motivo è di fondamentale importanza essere in grado di analizzare lo stato di polarizzazione della luce prima e dopo l'interazione con il campione in analisi. L'analisi della polarizzazione nel range del visibile e dell'UV vicino è facilmente realizzabile con polarizzatori in trasmissione come, ad esempio, le lamine a \(\lambda/4\). Nell'estremo ultravioletto l'assenza di materiali trasmissivi complica questo processo. Per manipolare e misurare la polarizzazione della luce in questo range spettrale, è richiesto un approccio diverso, basato sul cambio di ampiezza e fase della luce a seguito di una riflessione. La prima attività di questa tesi tratta dello sviluppo e la realizzazione di un polarimetro a riflessione con ottiche di oro e rutenio. Una serie di esperimenti con radiazione di sincrotrone ha permesso una sistematica analisi dei parametri di Stokes della radiazione, in un ampio range di energie. I risultati ottenuti dimostrano che il polarimetro sviluppato costituisce un ottimo strumento per l'analisi dello stato di polarizzazione della luce e permette, inoltre, di eseguire misure ellissometriche su film sottili. La seconda attività consiste nello sviluppo e la realizzazione di un sistema a basso costo per reticoli di diffrazione deformabili, pensato per essere installato in un monocromatore per la selezione spettrale di impulsi XUV ultrabrevi all'interno di una linea di luce per la generazione di armoniche superiori (HHG). Una serie di misure ci ha permesso di concludere che il sistema proposto è una soluzione valida ed efficace, oltre che a basso costo, risultando molto vantaggioso soprattutto per laboratori con budget limitati. La terza attività riguarda l'aggiornamento e il potenziamento di un monocromatore compensato nel tempo installato in una linea di luce HHG a Milano. Lo strumento è stato caratterizzato dal punto di vista dell'efficienza e della risposta temporale, dimostrando che il sistema è adatto per il condizionamento di impulsi XUV ultrabrevi (nel range dei femtosecondi), presentando inoltre un buon flusso di fotoni per esperimenti a valle del sistema.
Extreme-ultraviolet instrumentation for polarimetry and spectroscopy.
With the increasing availability and performance of laser-driven high harmonic sources operating in the extreme ultraviolet (XUV) spectral range, there is an ever-increasing demand of optical technologies suitable for the photon handling and conditioning of this radiation sources. For this reason, this thesis describes the activities carried out for the design, realization, and characterization of different optical instruments for the conditioning of XUV and soft x-ray sources. Polarized radiation in the XUV spectral range is a powerful tool for many experiments and investigations of light-matter interaction. Therefore, it is of great importance to analyze the polarization of light before and after interaction with the sample under investigation. The ellipticity of visible and near ultraviolet radiation can easily be determined with transmission polarizers and phase shifters, for example \(\lambda/4\) plates. In the extreme ultraviolet spectral region a lack of transmitting materials complicates this task. In order to produce polarized light or to analyze the polarization of light in this spectral region a different approach based on changes in the amplitudes and phases of light upon reflection must be used. The first contribution reports the activity carried out for the design and the development of a reflection polarimeter, using gold and ruthenium optics. An extensive and systematic set of measurements of the Stokes parameters has been performed on a synchrotron beamline, with a wide range of photon energies. The results indicate the capability of the proposed reflection polarimeter to effectively analyze the polarization state of the incoming radiation and to enable ellipsometric measurements on thin films. The second contribution consists of the design and the development of a low-cost deformable grating system to be installed as part of a monochromator for the spectral selection of ultrafast XUV pulses in a High-Harmonic Generation (HHG) beamline. We demonstrate the effectiveness and the good performance of the system, while keeping it a cheap solution for many laboratories on tight budgets. The third activity regards the upgrade of a time-delay compensated monochromator installed in a HHG beamline in Milan. The instrument has been characterized in terms of its efficiency (throughput) and its temporal performance, demonstrating the ability to handle ultrashort (femtosecond regime) XUV pulses with a good photon flux for subsequent experiments.
Strumentazione per polarimetria e spettroscopia nell'estremo ultravioletto / Samparisi, Fabio. - (2022 Mar 08).
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