Verbesserung der Effizienz eines Mottpolarimeters im ... · hältnis der Übergangswahrscheinlichkeiten hängt nur noch von Clebsch-Gordon- Koeffizienten ab. Für die jeweiligen Polarisationsrichtungen

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Diplomarbeit

Verbesserung der Effizienz eines Mottpolarimeters

im Hinblick auf zeitaufgeloumlste

Polarisationsmessungen an Superlattice-Kathoden

Roman Bolenz

Johannes Gutenberg Universitaumlt Mainz

April 2005

2

Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 3 2 Theoretische Grundlagen 5

21 Photoemission aus GaAs-Kristallen 5 211 Der GaAs-Kristall 5 212 Erzeugung spinpolarisierter Elektronen 7 213 Austritt ins Vakuum 8 214 Das Spicer Modell der Photoemission 11

22 Erhoumlhung der Polarisation durch Symmetriebrechung 12 221 Strained Layer 12 222 Superlattice 13

23 Depolarisationseffekte 14 231 Bir-Aronov-Pikus Prozess (BAP) 15

24 Mottpolarimetrie 16 3 Aufbau der Testquelle polarisierter Elektronen 18

31 Lichtoptischer Aufbau 19 32 Elektronenkanone und Strahlfuumlhrung 20 33 Polarisationsmessung 20

331 Spindreher 20 332 Mottdetektor 21 333 Faraday-Cup 22 334 Deflektorsystem 23

4 Notwendige Verbesserungen am Mott-Polarimeter 25 41 Verkleinerung des systematischen Fehlers 25

411 Beschaffung neuer Folien 25 412 Probleme mit den neuen Targets 26 413 Foliendickenextrapolation 29

42 Verkleinerung des statistischen Fehlers bei zeitaufgeloumlsten Messungen 32 421 Phasenkontrolle 32 422 Erhoumlhung der Rate 34

5 Experimentelle Ergebnisse 41 51 Ruumlckblick Expandierte Messungen 41 52 Diskussion der Eigenschaften von SL-5-998 im dc-Betrieb 42 53 Diskussion der zeitaufgeloumlsten Asymmetriemessungen 44

531 Bestimmung der Depolarisationskonstanten 46 532 Wiederanstieg der Polarisation 46 533 Absenkung der Polarisation am Bunchanfang 47

6 Zusammenfassung und Ausblick 49 Abbildungsverzeichnis 50 Literaturverzeichnis 51 Danksagung 54

1 Einleitung

3

1 Einleitung

Die Geschichte dieser Diplomarbeit beginnt wie so oft in der Experimentalphysik in einem lauten engen Labor Es ist ein heiszliger Nachmittag im unvergessenen Rekordsommer des Jah-res 2003 Bei uumlber 40degC im Schatten befindet sich die gesamte Belegschaft des kernphysikali-schen Instituts der Universitaumlt Mainz in Schwimmbaumldern an Seen in Biergaumlrtenhellip Die gesamte Belegschaft Nein eine kleine Gruppe unerschrockener Forscher wird nicht muuml-de die Grenzen der bekannten Physik zu uumlberschreiten um neue Welten zu entdecken unbe-kannte Zonen zu erforschen und fremde Zivilisationen zu erobern Dabei dringt B2 in Berei-che vor die nie ein Mensch zuvor gesehen hat Namentlich befanden sich Aule Valerie und Yuri im Testquellenlabor des MAMI1 und mach-ten zeitaufgeloumlste Intensitaumlts- und Polarisationsmessungen von winzig kleinen Elektronenpa-keten so genannten bdquoBunchesldquo Es mussten hierfuumlr gewisse Tricks (so genannte Raumla-dungsexpansion) angewandt werden um uumlberhaupt genug Rate fuumlr eine Messung zu erreichen Sie erhielten das in Abbildung 11 zusammengefasste Ergebnis

Abbildung 11 Zeitaufgeloumlste Intensitaumlts- und Polarisationsmessung

Die Abbildung zeigt eine 2003 durchgefuumlhrte zeitaufgeloumlste Strahlstromintensitaumlts- und Pola-risationsmessung Man erhielt zum einen das Intensitaumltsprofil eines Elektronenbunchs Nach

1 MAMI Mainzer Mikrotron

1 Einleitung

4

einem steilen Anstieg bis zu einem Maximum (10 der willkuumlrlichen Einheiten auf der Intensi-taumltsachse) folgt ein fallender Verlauf Der hier vermessene Bunch hat eine zeitliche Dauer von ~35ps was bei einer kinetischen Energie von 100keV einer Ausdehnung in Flugrichtung von ~6mm entspricht Des Weiteren konnte die Polarisation der Elektronen in Abhaumlngigkeit ihrer Position innerhalb des Bunchs gemessen werden Hierbei ist von besonderem Interesse dass die Polarisation am Bunchanfang ein Maximum aufweist und zum Bunchende hin abfaumlllt Es ist an dieser Stelle erwaumlhnenswert dass den Experimenten mit spinpolarisierten Elektronen am MAMI derzeit ein Polarisationsgrad von ungefaumlhr 80 zur Verfuumlgung steht Das A4-Experiment welches auf einen polarisierten Strahl angewiesen ist geht von einer Messzeit von 2000 Stunden aus um bei solch einem Polarisationsgrad eine akzeptable Statistik zu er-reichen Das Maximum der zeitaufgeloumlsten Polarisationsmessung am Bunchanfang zeigt aber 90 Waumlre man in der Lage diese hoch polarisierten Elektronen abzuseparieren so koumlnnte die angestrebte statistische Genauigkeit der Messung von A4 schon in 1560 Stunden erreicht werden2 Jedoch steht man bei den in Abbildung 11 gezeigten Messergebnissen noch vor drei groszligen Problemen 1) systematischer Fehler der Polarisationsmessung Der Konstrukteur des fuumlr die Polarisationsmessungen verwendeten Mott-Polarimeters Joumlrg Bermuth [Ber96] schaumltzte als absolute systematische Unsicherheit einen Fehler von 43 ab so dass im Besonderen die maximalen Polarisationsgrade am Bunchanfang als nicht gesichert gelten koumlnnen 2) statistischer Fehler der Polarisationsmessung Gerade im interessierenden Bereich dem Bunchanfang mit den (scheinbar) hohen Polarisati-onswerten ist die Intensitaumlt so gering dass die Raten des Mott-Polarimeters extrem klein aus-fallen Dies ist mit enorm langen Messzeiten verbunden will man den statistischen Fehler akzeptabel klein halten 3) Kontrolle der Phasenlage Waumlhrend der Messzeit muss die Phasensynchronisation der anregenden Laserpulse zu einer gegebenen Referenzschwingung konstant gehalten werden Dies erzeugte in den bisherigen Experimenten Unsicherheiten in der Zeitmessung von 2-3ps die sich nachteilig auf die Inter-pretation der Daten aus der Abbildung auswirken Diese Diplomarbeit hat das Ziel diese Messfehler zu minimieren um signifikant verlaumlssliche Resultate bei zeitaufgeloumlsten Polarisationsmessungen an der Testquelle am MAMI zu erhalten und so bessere und neue Informationen uumlber Eigenschaften von so genannten Superlattice- Photokathoden zu erlangen Im folgenden Kapitel 2 sollen zunaumlchst die theoretischen Grundlagen die dem Verstaumlndnis dieser Diplomarbeit dienen dargelegt werden Kapitel 3 beschreibt den fuumlr diese Arbeit ver-wendeten Versuchsaufbau Im Kapitel 4 werden die verschiedenen Versuche beschrieben welche die Effizienz des Mottpolarimeters steigern sollen Im Anschluss daran finden sich im Kapitel 5 erste Resultate von zeitaufgeloumlsten Polarisationsmessungen die mit der verbesser-ten Messapparatur durchgefuumlhrt werden konnten

2 Hierbei wird angenommen dass sich die Messzeit umgekehrt proportional zum Quadrat der Polarisation ver-haumllt

2 Theoretische Grundlagen

5


21 Photoemission aus GaAs-Kristallen

Die gegenwaumlrtig beste Methode zur Erzeugung polarisierter Elektronenstrahlen hoher Intensi-taumlten beruht auf dem Prinzip der Photoemission von Elektronen aus III-V-Halbleiter-Kristallen wie GaAs mit zirkular polarisiertem Laserlicht Neben reinem GaAs koumlnnen auch Mischkristalle wie GaAs1-xPx verwendet werden die aufgrund einer etwas groumlszligeren Energie-luumlcke experimentelle Vorteile aufweisen Der theoretisch erreichbare Polarisationsgrad laumlsst sich durch Brechen der Symmetrie der Kristallstruktur auf bis zu 100 erhoumlhen wobei ver-schiedene Depolarisationsmechanismen den praktisch erreichbaren Polarisationsgrad auf der-zeit etwa 80 limitieren

211 Der GaAs-Kristall

Kristallstruktur von GaAs Halbleiter die sich wie GaAs GaP und GaAsP aus Elementen der III und V Hauptgruppe des Periodensystems bilden nennt man III-V-Halbleiter Der Kristallaufbau von GaAs wird durch zwei kubisch-flaumlchenzentrierte (fcc)3-Gitter mit jeweils der gleichen Gitterkonstante a beschrieben die um den Vektor ( 444 aaa ) gegeneinander verschobenen sind GaAs weist daher

die gleiche Struktur wie Zinkblende (ZnS) auf Jedes Atom befindet sich somit im Zentrum eines Tetraeders dessen Ecken durch Atome des jeweils anderen Elements gebildet werden Abbildung 21(a) illustriert die Anordnung eines solchen Zinkblende-Gitters Substituiert man x Prozent der Arsenatome durch Phosphoratome so erhaumllt man einen GaAs1-xPx Mischkristall Dies bietet den experimentellen Vorteil dass die Gap-Energie und die Gitterkonstante variiert werden koumlnnen was spaumlter im Abschnitt 221 uumlber sbquoStrained Layerrsquo weiter erlaumlutert wird

Abbildung 21 (a) Aufbau des Zinkblendengitters und (b) erste Brillouin Zone des kubisch-

flaumlchenzentrierten Gitters

Transformation in den reziproken Raum Erste Brillouin Zone

3 fcc face-centred cubic


6

Fuumlr eine Beschreibung der Elektronenzustaumlnde im Kristall transformiert man das Gitter uumlbli-cherweise in den reziproken Raum Darin bildet der fcc-Kristall ein kubisch-flaumlchenzentriertes Gitter (bcc)4 Die Wigner-Seitz-Zelle dieses Gitters heiszligt auch erste Brillouin Zone jede sol-che Zelle enthaumllt in ihrem Zentrum einen Gitterpunkt Die Standartbezeichnungen fuumlr Achsen hoher Symmetrie und deren Endpunkte sind in Abbildung 21(b) dargestellt Der Γ-Punkt mit

dem Gittervektor ( )000=kr

bildet das Zentrum der erste Brillouin Zone X ist der Grenz-

punkt bei ( )0012ak π=

r und L der Grenzpunkt bei ( )2

121

212 ak π=

r

Bandschema von GaAs Betrachtet man den Festkoumlrper als eine Reihe von gleichmaumlszligig miteinander gekoppelten Ein-zelatomen so uumlberlagern sich die diskreten Energieniveaus der Einzelatome aufgrund des Pauliprinzips zu Energiebaumlndern Traumlgt man die Energieeigenwerte der Elektronen gegen den

Betrag ihres zugehoumlrigen Wellenzahlvektors kr

auf so ergibt sich das in Abbildung 22 fuumlr GaAs und GaP gezeigte Bandschema Dabei waumlhlt man eine zweidimensionale Darstellung entlang von Symmetrieachsen wie die Verbindungen von Γ mit den Punkten X L und Σ

Abbildung 22 Bandschema von GaAs (links) und GaP (rechts) nach [Che76]

Halbleiterarten Der Kristall ist unter anderem charakterisiert durch den minimalen Abstand des Valenzbandes zum Leitungsband dem Bandgap Dabei werden zwei Arten von Halbleitern unterschieden Wie in Abbildung 22 links zu sehen ist faumlllt bei GaAs das Maximum des Valenzbandes mit dem Minimum des Leitungsbandes am Γ-Punkt zusammen Der Abstand der Baumlnder an die-sem Punkt wird Energieluumlcke oder auch Gap-Energie genannt Er betraumlgt 143eV bei einer Temperatur von 300K [Sin95] Es handelt sich dabei um einen direkten Halbleiter da ein einzelnes Lichtquant mit der Gap-Energie ausreicht ein Elektron aus dem Valenzband in das Leitungsband zu heben Im Falle des GaP (Bandgap 22eV [Sin95]) liegen Leitungsbandma-ximum (bei Γ) und Valenzbandminimum (bei X) nicht uumlbereinander (Abbildung 22 (b)) Beim Uumlbergang eines Elektrons muss aufgrund der Impulserhaltung ein zusaumltzliches Phonon mitwirken man spricht dann von einem indirekten Halbleiter

4 bcc body-centred cubic


7

Durch Veraumlnderung des Phosphoranteils in einem GaAs1-xPx Mischkristall laumlsst sich seine Energieluumlcke variieren wobei der Mischkristall ab einem Phosphoranteil von 48 in einen indirekten Halbleiter uumlbergeht Symmetrie Aufgrund der Symmetrieeigenschaften der Kristallstruktur am Γ-Punkt zeigen die Wellen-funktionen der Kristallelektronen in den Leitungs- und Valenzbandniveaus das Verhalten von Eigenfunktionen des Drehimpulsoperators Man waumlhlt deshalb eine Beschreibung durch s- und p-Eigenzustaumlnde die analog zu der in der Atomphysik verwendeten ist Fuumlr das Lei-tungsband liegt s-Symmetrie und damit ein S12-Zustand vor waumlhrend das Valenzband p-Symmetrie besitzt das in P12 (zweifach entartet) und P32 (vierfach entartet) aufspaltet5 Die Anregung eines Elektrons in das Leitungsband unterliegt daher denselben Auswahlregeln die auch bei atomaren Uumlbergaumlngen gelten Eine exakte Beschreibung erfordert gruppentheoreti-sche Uumlberlegungen und ist in [Plu94] zu finden

212 Erzeugung spinpolarisierter Elektronen

Valenzband-Aufspaltung Entscheidend fuumlr die Emission spinpolarisierter Elektronen aus GaAsP ist die Aufspaltung des Valenzbandes Die Groumlszlige der Aufspaltung ∆ die durch Spin-Bahn-Wechselwirkung verur-sacht wird entspricht dem Abstand zwischen Γ7 und Γ8 Abbildung 23 zeigt einen vergroumlszliger-ten Ausschnitt des Bandschemas von GaAs in der Umgebung des Γ ndashPunktes Der Unter-schied zum Mischkristall GaAsP besteht lediglich in der Groumlszlige der Aufspaltung ∆ und der Gap-Energie EG

Abbildung 23 Vergroumlszligerter Ausschnitt des Bandschemas von GaAs und das zugehoumlrige Energieniveau-

schema an der Bandkante

Bei dem durch Einstrahlen von Licht der Energie EG lt E lt EG + ∆ induzierten optischen Pumpprozess koumlnnen nur Elektronen aus dem P32-Valenzband in das S12-Leitungsband ange-hoben werden Mit Einstrahlung von zirkular polarisiertem Licht lassen sich nur Uumlbergaumlnge erzeugen die den folgenden Auswahlregeln gehorchen

5 Aufgrund der unterschiedlichen effektiven Massen der P32 Elektronen mit verschiedenen mj spricht man auch von bdquoheavy-holeldquo-Elektronen fuumlr mj = plusmn32 und bdquolight-hole-Elektronen fuumlr mj = plusmn12


8

1+=∆ jm fuumlr +σ - Licht

1minus=∆ jm fuumlr minusσ - Licht

Uumlbergangswahrscheinlichkeiten Die relativen Uumlbergangswahrscheinlichkeiten folgen aus dem Betragsquadrat des Matrixele-

mentes iHf WW mit HWW dem Wechselwirkungsoperator der Dipoluumlbergaumlnge Das Ver-

haumlltnis der Uumlbergangswahrscheinlichkeiten haumlngt nur noch von Clebsch-Gordon-Koeffizienten ab Fuumlr die jeweiligen Polarisationsrichtungen des eingestrahlten Lichtes erge-ben sich folgende relative Uumlbergangswahrscheinlichkeiten

fuumlr +σ - Licht 1

3

2

21

23

21

21

2

23

23

21

21

=minus+

minusminus

WW

WW

H

H

fuumlr minusσ - Licht 3

1

2

23

23

21

21

2

21

23

21

21

=++

+minus

WW

WW

H

H

Im Termschema in Abbildung 23 sind die Uumlbergaumlnge bei Einstrahlung zirkular polarisierten Laserlichts mit den entsprechenden Uumlbergangswahrscheinlichkeiten eingetragen Definition der Polarisation Es wird deutlich dass die Besetzung der magnetischen Unterzustaumlnde im Leitungsband ab-haumlngig von der Zirkularpolarisation des eingestrahlten Lichts ist Wenn die Anzahl der Elek-

tronen im Zustand mit 21+=jm durch uarrN angegeben wird und im Zustand 2

1minus=jm

durch darrN so gilt fuumlr die resultierende Spinpolarisation der Elektronen im Leitungsband

darr+uarr

darrminusuarr=

NN

NNP

Damit ergibt sich bei Einstrahlung von +σ -Licht fuumlr die Polarisation 21

3131 minus== +

minusP und bei

Anregung mit minusσ -Licht 21+=P dh die Spinpolarisation von Photoelektronen aus GaAsP

ist begrenzt auf 50 Houmlhere Polarisationsgrade bis zu theoretisch 100 lassen sich durch Brechung der Kristallsymmetrie erreichen Dies wird im noch folgenden Abschnitt 22 erlaumlu-tert

213 Austritt ins Vakuum

Angeregte Elektronen im Leitungsband koumlnnen den Kristall nicht ohne weiteres verlassen Die Elektronen werden durch eine Potentialstufe von ca 35eV am Austritt gehindert die durch die verschiedene energetische Lage des Vakuums und des Leitungsbandminimums her-vorgerufen wird (siehe Abbildung 24) Die Houmlhe der Potentialstufe (Evac-EL) wird als Elek-tronenaffinitaumlt χ bezeichnet


9

Leitungsband

Oberflaumlchenzustaumlnde

Valenzband

EL

EF

EV

E

x

Φχ

Abbildung 24 Undotierter Halbleiter

Es ist nicht zweckmaumlszligig die Energie hν der eingestrahlten Photonen um die Houmlhe der Barriere zu vergroumlszligern da ansonsten die Polarisation im Leitungsband durch Anregung von Uumlbergaumln-gen aus dem P12-Niveau herabgesetzt wuumlrde Zum Erreichen der Emissionsfaumlhigkeit eines GaAsP-Kristalls muss deshalb die angesprochene Potentialbarriere soweit abgesenkt werden dass sie unterhalb des Leitungsbandniveaus im Kristallinneren liegt (χ lt 0) Man will also eine negative Elektronenaffinitaumlt (NEA) erreichen die durch folgendes Vorgehen erzeugt wird

bull starke p-Dotierung des Kristalls bull Adsorption eines Alkalimetalls

p-Dotierung Die Austrittsarbeit ∆ϕ der Elektronen ist gleich der Energiedifferenz zwischen Fermi- und Vakuum-Niveau wobei das Fermi-Niveau der Energie des Zustandes entspricht bei dem die Besetzungswahrscheinlichkeit (fuumlr T gt 0K) 50 betraumlgt Die Fermi-Energie muss im thermi-schen Gleichgewicht konstant sein Allerdings kompensieren Elektronen aus den Oberflauml-chenzustaumlnden die Loumlcher in einer Oberflaumlchenzone Es entstehen ortsfeste negative (unkom-pensierte) Ladungen bei den Akzeptoren direkt an der Oberflaumlche Aufgrund der hohen Dichte der Oberflaumlchenzustaumlnde veraumlndert sich dort das Fermi-Niveau kaum [Spi77] Dieser Vorgang wird als Fermi-Level-Pinning bezeichnet und verursacht eine Bandbiegung des Valenz- und Leitungsbandes bis in eine Tiefe von 10nm [Bel73] Einfallende Photonen dringen aber in einen Bereich von ca 1microm in den Kristall ein so dass die Elektronenaffinitaumlt fuumlr Elektronen die tief im Kristallinneren erzeugt werden um 05 bis 1eV gesenkt wird (vergleiche Abbildung 25)


10

Leitungsband

Stoumlrstellenniveaus

Valenzband

EL

EF

EV

E

x

Φ

χ

Abbildung 25 p-dotierter Halbleiter

Caumlsierung Um eine Emission der Elektronen aus GaAsP zu erreichen bedarf es zusaumltzlich zur p-Dotierung einer adsorbierten Schicht eines Alkalimetalls Aufgrund ihrer geringen Elektro-negativitaumlt geben sie die Valenzelektronen an den Kristall ab Die entstehende Dipolschicht senkt das Vakuumniveau so weit ab dass nur eine duumlnne Potentialbarriere uumlbrig bleibt Elek-tronen im Leitungsband koumlnnen die Potentialbarriere durchtunneln und somit den Kristall verlassen (Abbildung 26) Wie in der Dissertation von W Gasteyer [Gas88] gezeigt wird eignet sich Caumlsium am besten als Adsorbat Es erzielt bei GaAsP eine Absenkung der Aus-trittsarbeit von ∆ϕ = 356 plusmn 025eV und eine negative Elektronenaffinitaumlt von χ = -049 plusmn 015eV Die Dicke der adsorbierten Cs-Schicht liegt nach H Fischer [Fis94] im Bereich einer Monolage Cs Hierbei nimmt die Quantenausbeute ein Maximum an und faumlllt bei steigender Bedeckung wieder ab In den Arbeiten von Spicer [Spi83] und von Pierce und Meier [Pie76] findet man weitere Einzelheiten zum Emissionsprozess

Leitungsband

Valenzband

EL

EF

EV

E

x

Φ

χ

Kristall Vakuum

Abbildung 26 Halbleiter nach Caumlsierung


11

214 Das Spicer Modell der Photoemission

Bis in die fuumlnfziger Jahre wurde die Photoemission als ein reiner Oberflaumlcheneffekt aufge-fasst Erst Spicer erklaumlrte mit seinem Drei-Stufen-Modell die Photoemission als Volumenef-fekt der sich aus Photoanregung im Volumen Elektronentransport zur Oberflaumlche und an-schlieszligender Emission zusammensetzt [Spi93] Es wird dabei vorausgesetzt dass die drei Teilprozesse nacheinander und unabhaumlngig voneinander erfolgen

VakuumGaAs

hν

aktive Zone

Anregung

Transport AustrittLBM

VBM

Abbildung 27 Schema der Photoemission nach Spicer

Die Elektronenkonzentration )( trcr

am Ort rr

zur Zeit t wird durch eine Diffusionsgleichung

mit drei den Teilprozessen entsprechenden Termen beschrieben

)()(

)()( 2 trcD

trctrg

t

trc rr

rr

nabla+minus=part

partτ

Der erste Term

gt

leminusminusminus=

minus

aktiveZonez

aktiveZonezzRItrg

tt

0

)exp())(exp()1()(

20 0

0 αα τr

beschreibt die Teilchenerzeugung durch Photoanregung von Elektronen ins Leitungsband Ein gaussfoumlrmiger Lichtpuls der Breite τ0 von dem der Bruchteil R durch Reflexion an der Kris-talloberflaumlche verloren geht wird in der aktiven Zone (infin bei Bulk-Kathoden) mit dem Ab-sorptionskoeffizienten α durch Photoanregung absorbiert

Ein Lebensdauerterm τ)( trc

r

beschreibt die Verringerung der Elektronenkonzentration im Lei-

tungsband durch Rekombination mit Valenzbandloumlchern

Die Bewegung der Teilchen beschreibt der Diffusionsterm )(2 trcDr

nabla mit der Diffusionskon-

stanten D Die Diffusionskonstante D kann aus der messbaren Elektronenbeweglichkeit micro uumlber die Einstein-Relation

q

kTD

micro=

abgeschaumltzt werden Alle drei Konstanten α τ und D haumlngen von der Dotierung und der Tem-peratur des Halbleiters ab


12

22 Erhoumlhung der Polarisation durch Symmetriebrechung

Vom Experimentator wird eine moumlglichst hohe Polarisation des Elektronenstrahls gewuumlnscht da der Grad der Elektronenpolarisation P quadratisch in die Messzeit eines Polarisationsexpe-riments eingeht (figure of merit = IsdotP2 I = Elektronenstrom) Um die Limitierung der maximalen Polarisation von 50 bei GaAs-Quellen zu uumlberschreiten ist es notwendig die Entartung des P32-Niveaus des Valenzbands aufzuheben so dass bei Ein-strahlung zirkular polarisierten Laserlichts geeigneter Wellenlaumlnge Polarisationsgrade bis the-oretisch 100 moumlglich sind Da die Entartung des Valenzbandes letztendlich in der kubisch-symmetrischen Kristallform begruumlndet ist laufen alle derzeitigen Versuche den Polarisations-grad zu maximieren darauf hinaus die vierfache Entartung durch Brechen der Kristallsymme-trie aufzuheben Diese Symmetriebrechung kann durch bdquomechanisch vorgespannteldquo Kristalle den so genann-ten bdquoStrained Layersldquo geschehen Der mechanische bdquoStressldquo wird dabei durch Aufbringen von duumlnnen Schichten auf ein Substrat mit anderer Gitterkonstante erzeugt Eine weitere Methode ist die Verwendung von so genannten Quantum-Well-Strukturen bei denen ein Uumlbergitter (Superlattice) aus verschiedenen Materialien vorliegt Ein Uumlberlappen der Wellenfunktionen der Kristallelektronen bewirkt die Ausbildung energetisch separierter so genannter Minibaumlnder Nur am Rande sei an dieser Stelle noch erwaumlhnt dass auch der Versuch unternommen wird Kristalle zu verwenden die von sich aus schon geringere Symmetrie aufweisen Allerdings ist es bei der Erprobung solcher Strukturen (zum Beispiel Chalkopyrite) bislang noch nicht ge-lungen einen polarisierten Elektronenstrahl zu erzeugen [Dre96]

221 Strained Layer

Die heute am weitesten entwickelte Technik der Strained Layer Photokathoden [Mar91 Nak91] beruht auf dem epitaktischen Aufbringen einer 100 bis 200nm starken Halbleiter-schicht mit kubischer Einheitszelle auf ein dickes Substrat welches ebenfalls eine kubische Einheitszelle allerdings unterschiedlicher Gitterkonstante besitzt Ist die aufgedampfte Schicht duumlnn so passt sich die Gitterkonstante der Schicht an die Gitterkonstante des Sub-strats an Uumlber die elastischen Konstanten des Kristalls fuumlhrt eine Verkleinerung der Grund-flaumlche der Einheitszelle zu einer Verlaumlngerung der c-Achse (uniaxiale Deformation) Es kommt zur Aufhebung der vierfachen Entartung des P32-Niveaus (aumlhnlich dem Stark-Effekt gleiche Betraumlge von mj wandern in die gleiche Richtung) entlang der c-Achse bei der die bdquolight-holeldquo-Zustaumlnde energetisch abgesenkt werden Bei den von der Gruppe B2 verwende-ten Kristallen betraumlgt die energetische Aufspaltung EStrain zwischen den Zustaumlnden etwa 20 bis 50meV was bei einer Laserwellenlaumlnge von 850nm in etwa einer Bandbreite von 30nm ent-spricht Der Uumlbergang kann also auch mit einem Pulslaser problemlos selektiv angeregt wer-den Die Bandbreite eines Laserpulses von 100fs Pulsdauer betraumlgt 76nm Bei Einstrahlung von Photonen geeigneter Pumpenergie

StrainGapGap EEEE +ltlt γ

werden nur die bdquoheavy-holeldquo-Elektronen in das Leitungsband angehoben Der theoretisch erreichbare Polarisationsgrad betraumlgt dann 100


13

32p

s+

20-50 meV

(b)+12-12

-12 +12

+32-32

-12 +12

p12

12s

s-

Leitungsband

Valenzband

Deformation

uniaxiale

(a)

aa

a

b

arsquoarsquo

EStrain

EGap

Abbildung 28 Brechung der Kristallsymmetrie beim Strained Layer Kristall (a) und das zugehoumlrige

Energieniveauschema an der Bandkante (b)

222 Superlattice

Beim Superlattice-Kristall wird die Symmetrie der Kristallstruktur in einer Richtung durch periodisches Aufwachsen verschiedener Materialien gebrochen Man unterscheidet zwischen den Unstrained-Superlattice-Photokathoden und den Strained-Superlattice-Photokathoden je nachdem ob die verschiedenen Materialien gleiche oder un-terschiedliche Gitterkonstanten besitzen

AlGaAs

GaAs

AlGaAs AlGaAs

GaAs GaAs GaAs

E

E

z

effektiv

Gap

dEV

EL

EV

Abbildung 29 Schema eines Superlattice-Kristalls mit Minibaumlndern

Die Superlattice-Struktur als Photokathode zur Erzeugung spinpolarisierter Elektronen wurde von T Nakanishi [Nak91] eingefuumlhrt Bei diesem Kristalltyp laumlsst man abwechselnd Materia-


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lien mit unterschiedlicher Gap-Energie (zB GaAs und AlGaAs) aufeinander aufwachsen Dort wo sich das Material mit der kleineren Bandluumlcke befindet entstehen so in Wachstums-richtung Potentialtoumlpfe in denen die darin befindlichen Kristallelektronen nur noch diskrete Energieeigenwerte annehmen koumlnnen Sind die Potentialbarrieren die sich durch das Material mit groumlszligerer Bandluumlcke ausbildenden duumlnn genug so koumlnnen sich die Wellenfunktionen der Elektronenzustaumlnde in den Potentialtoumlpfen uumlberlagern und bilden die Energieniveaus die so genannten Minibaumlnder des entstandenen bdquoUumlbergittersldquo (Superlattice) Abbildung 28 zeigt schematisch den Potentialverlauf durch die Schichtung im Superlattice Die Anzahl der Minibaumlnder innerhalb des Valenz- beziehungsweise Leitungsbandes ist mate-rialabhaumlngig Fuumlr die Aufhebung der Entartung ist die Potentialdifferenz δEV der Minibaumlnder im Valenzband verantwortlich Diese Aufspaltung entspricht der Aufspaltung der P-Niveaus beim Strained Layer Analog laumlsst sich auch hier durch Einstrahlung von Photonen geeigneter Energie

VeffektivGap

effektivGap EEEE δγ +ltlt

theoretisch eine Polarisation von 100 erreichen

23 Depolarisationseffekte

Im Rahmen dieser Arbeit sollten zeitaufgeloumlste Polarisationsmessungen durchgefuumlhrt werden um unter anderem Aufschluss uumlber die moumlglichen Depolarisationseffekte zu gewinnen Nach Spicers Drei-Stufen-Modell vollzieht sich die Photoemission in drei Teilprozessen Der Anre-gung der Elektronen ins Leitungsband dem Transport zur Oberflaumlche und dem Austritt der Elektronen ins Vakuum Waumlhrend jeder dieser Prozesse ist eine Depolarisation und somit eine Abweichung des Polarisationsgrades von den theoretisch erreichbaren 100 denkbar So ist bei der Anregung nicht absolut sicher ob das zuvor beschriebene Modell des optischen Pumpens mit den scharf voneinander getrennten Elektronenzustaumlnden in der Realitaumlt auch wirklich zutrifft Es ist beispielsweise denkbar dass hybridisierte Zustaumlnde der Wellenfunkti-onen der Elektronenzustaumlnde vorliegen und somit eine hundertprozentige Unterdruumlckung der Uumlbergaumlnge aus dem P12-Niveau nicht moumlglich ist Doch auch die durch den optischen Pumpvorgang erzeugte Spinpolarisation der Leitungs-bandelektronen ist nicht statisch gleich bleibend sondern verringert sich exponentiell mit der Zeit da sie aufgrund ihrer Bewegung innerhalb des Halbleiters Depolarisationsprozessen un-terworfen sind Einen zusammenfassenden Uumlberblick uumlber Depolarisationsmechanismen gibt eine Arbeit von Fishman und Lampel [Fis77]


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Abbildung 210 Spinrelaxationsprozesse nach [Fis77]

In Abbildung 210 sind die Spinrelaxationsraten der in [Fis77] beschriebenen Prozesse in Ab-haumlngigkeit von der kinetischen Energie der Elektronen fuumlr p-dotiertes GaAs (Dotierungsrate 1018cm-3) aufgetragen Der bei Zimmertemperatur (blaue Linie in Abbildung 210 entspre-chend kT=25meV) und fuumlr thermalisierte Elektronen dominierende Relaxationsprozess soll im Folgenden naumlher beschrieben werden

231 Bir-Aronov-Pikus Prozess (BAP)

Der fuumlr die Anwendung wichtigste Relaxationsprozess resultiert aus der Austauschwechsel-wirkung von Elektronen im Leitungsband und Loumlchern im Valenzband des Halbleiters [Bir76] Die Loumlcherdichte im Valenzband wird hauptsaumlchlich durch die p-Dotierung des Halbleiters (1018

cm-3) bestimmt Sie ist selbst im Pulsbetrieb groszlig gegen die Loumlcherdichte die durch Photoanregung von Elektronen verursacht wird (1011

cm-3) Da die effektive Masse m der Loumlcher im Leitungsband wesentlich houmlher ist als die Masse der Elektronen kann der Stossprozess als elastisch angesehen werden Die Wechselwirkung wird durch den Hamilton-Operator

)(rSJVAH BAPBAP

rrrδsdot=

beschrieben Hierbei ist Jr

der Drehimpuls-Operator des Loches und die Amplitude ABAPV ist proportional zur Austauschenergie und zum Volumen der Elementarzelle Die reziproke Re-laxationszeit T1 und damit die Spinrelaxationsrate in Abhaumlngigkeit von der kinetischen Ener-gie ε der Elektronen im Leitungsband ergibt sich nach Bir Aronov und Pikus zu

νσε 1

1 )(

1hN

T=

wobei Nh die Loumlcherdichte und ν die mittlere Elektronengeschwindigkeit bezeichnen Der Spinflip-Wirkungsquerschnitt σ1 liegt in der Groumlszligenordnung 10-16

cm2


16

24 Mottpolarimetrie

Zum Studium der Depolarisationseffekte in den Photokathoden ist es notwendig die Polarisa-tion des Elektronenstrahls bei 100keV also direkt nach Verlassen der Quelle zu messen Die klassische Methode zur Polarisationsanalyse in diesem Energiebereich stellt die Mottstreuung die elastische Streuung von Elektronen (Spin-12-Teilchen) an schweren Kernen (zB Gold) (im Coulombfeld) dar Im Ruhesystem des Elektrons wird durch die Ladung des sich in Be-

wegung befindlichen Atomkerns ein Magnetfeld Br

erzeugt das mit dem durch den Spin des Elektrons erzeugten magnetischen Moment micro

r wechselwirkt Das zusaumltzliche Potential

)()(

2

122

SLdr

rdV

cmBV

e

LS

rrrrsdot=sdotminus= micro

hervorgerufen durch die Spin-Bahn-Wechselwirkung fuumlhrt mit dem Coulombpotential VC zu einem effektiven Potential (Abbildung 211)

LSCeff VVV +=

ss

s s

Rechtsstreuung

l l

Linksstreuung V

r r

Abbildung 211 Variation des Streupotentials

Fuumlr die Mottstreuung ergibt sich daraus eine Asymmetrie zwischen der Links- und der Rechtsstreuung der Elektronen die proportional zur Komponente der Elektronenpolarisation Pperp senkrecht zur Streuebene ist [Kes85] Der differentielle Wirkungsquerschnitt dieses Streu-prozesses setzt sich zusammen aus einem polarisationsabhaumlngigen und einem polarisationsu-nabhaumlngigen Anteil

( ) ( )( )ΦΘ+sdotΘΩ

=ΦΘΩ perp sin1)( SP

d

d

d

dMott

σσ

S(Θ) bezeichnet die Analysierstaumlrke die so genannte Shermanfunktion Θ den Streuwinkel

und Φ den Winkel zwischen Streuebene und dem Polarisationsvektor Pr

Aus der Messung einer Links-Rechts-Asymmetrie mit den Azimutwinkeln Φ=90deg und Φ=270deg


17

RL

RL

NN

NNA

+

minus=

laumlsst sich der Grad der transversalen Polarisation Pperp ermitteln

( )Θ=perp

S

AP

Die genaue Bestimmung von Pperp setzt allerdings die Kenntnis der Shermanfunktion S(Θ) vor-aus die nicht nur eine Funktion des Streuwinkels Θ ist sondern auch von der Kernladungs-zahl Z und der Elektronenenergie E abhaumlngt ( )EZSS Θ= Der Zahlenwert von S(Θ) der

berechnet [Lin64 She56] oder experimentell durch Doppelstreuung unpolarisierter Elektro-nen bestimmt [Mik63 Nel59] werden kann gibt den maximalen Wert der Asymmetrie an die gemessen wird falls der Elektronenstrahl 100 polarisiert ist Abbildung 212 zeigt die von Motz Koch und Olsen [Mot64] berechnete Sherman-Funktion fuumlr verschiedene Elektronen-energien zwischen 100keV und 5MeV

-065

-055

-045

-035

-025

-015

-005 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

Scattering Angle[degrees]

An

aly

sie

rstauml

rke

01 MeV

04 MeV

10 MeV

20 MeV

35 MeV

50 MeV

Abbildung 212 Sherman-Funktion fuumlr verschiedene Energien (nach [Mot64])

Da die Mottanalyse nur auf die Komponente der Polarisation empfindlich ist die senkrecht zur Streuebene steht muss zur Messung der bei der Photoemission entstehenden longitudinal polarisierten Strahlpolarisation der Polarisationsvektor in die Transversale gedreht werden Dies wird mit einem Toruskondensator verwirklicht (Einzelheiten dazu siehe Abschnitt 331)

3 Aufbau der Testquelle polarisierter Elektronen

18


In diesem Kapitel soll der fuumlr diese Arbeit verwendete experimentelle Aufbau wie er im Testquellenlabor der Arbeitsgruppe B2 am MAMI zur Verfuumlgung steht beschrieben und er-laumlutert werden Einen Gesamteindruck des Testquellenlabors fuumlr polarisierte Elektronen gibt Abbildung 31 Nicht abgebildet ist hier das sich im Nebenraum befindliche Laserlabor das an der Kanone angeschlossene UHV-Schleusensystem und das uumlber dem Deflektor aufgebau-te Klystron welches die HF in den Deflektor einspeist

Abbildung 31 Testquellenlabor ohne UHV-Schleuse Klystron und Lasersystem (aus [Har98])

In den nun folgenden Abschnitten werden das Lasersystem die Elektronenkanone mit dem sich anschlieszligenden Strahltransfersystem der Deflektor und das aus Spektrome-terSpindreher Mottdetektor und Faraday-Cup bestehende Strahlstrom- und Polarisations-Analysesystem beschrieben


19

31 Lichtoptischer Aufbau

Der Laserstrahl der im dc-Mode oder gepulst betrieben werden kann wird im Laserlabor einem dem Quellenraum benachbarten Raum erzeugt Das Lasersystem besteht aus dem dio-dengepumpten frequenzverdoppelten NdYVO4-Laser6 welcher den eigentlichen Titan-Saphir-Laser-Resonator7 mit dem Pumpstrahl versorgt Eine ausfuumlhrliche Beschreibung des Lasersystems ist in Referenz [Sch04] zu finden Das Lasersystem ist in der Lage Laserpulse von150fs Laumlnge und einer Repetitionsrate von 7654MHz (32Subharmonische der MAMI-HF-Masterfrequenz von 249GHz) zu generie-ren Die fuumlr die Pulsstrukturanalyse noumltige Synchronisation auf die 32Subharmonische des HF-Masters wird durch einen eingebauten Festfrequenzteiler erreicht Mit Hilfe eines ruumlckge-koppelten Lasersignals in einen Feedback-Regelkreis (siehe Abschnitt 334) wird durch Vari-ation der Resonatorlaumlnge der Laserpuls an die HF phasenstabil synchronisiert Eine schematische Darstellung des lichtoptischen Transfers vom Laser zur Kanone ist in Abbildung 32 skizziert

Auto-korrelator

Phasen-detektor

Polarisator undLCD-Abschwaumlcher

Abschwaumlcher

MIRA 900

ShutterBlende

Wand

Linse

Pockelszelle

Teleskop

zur Kathode

Vakuumfenster

3 von insgesamt4 Spiegeln

Abbildung 32 Schema des Lichtoptischen Aufbaus (aus [Wei04])

Nach dem Austritt aus dem Laser werden uumlber zwei Strahlteiler Bruchteile des Laserlichts in den die Laserpulslaumlnge messenden Autokorrelator und in das Phasendetektorsystem (siehe Abschnitt 421) gelenkt Durch einen LCD-Abschwaumlcher der in Abhaumlngigkeit von der eingestellten Spannung die Po-larisationsebene dreht ist es mithilfe eines Polarisators moumlglich die benoumltigte Laserleistung nahezu stufenlos und ferngesteuert zu regulieren Dahinter befindet sich ein Filterrad mit Neutraldichtefilter mit 10facher 100facher und 1000facher Abschwaumlchung Mit der Kombi-nation aus diesen beiden Abschwaumlchern sind Intensitaumlten zwischen 150nW und 90mW auf der Photokathode moumlglich Durch einen fernsteuerbaren Shutter kann der Laserstrahl vollstaumlndig abgeblockt werden Den Aufbau im Laserlabor schlieszligt eine kreisrunde Blende ab die stoumlrende Reflexe abblockt und somit gewaumlhrleistet dass der Laserstrahlfleck auf der Photokathode einen nahezu runden Querschnitt besitzt Im Quellenraum selbst wird der Laserstrahl nun uumlber mehrere Ablenkspiegel die speziell auf den Wellenlaumlngenbereich des Lasers und auf den Transport von Femtosekundenpulsen abge-stimmt sind in eine weitere optische Bank bestehend aus einer Pockelszelle und einem Tele-skop gelenkt Diese optische Bank ist senkrecht unter dem Eintrittsfenster der polarisierten Quelle montiert Die Pockelszelle ermoumlglicht ein schnelles Unschalten zwischen σ+- und σ--Licht wodurch die Auswirkung der apparativen Asymmetrie des Polarisationsmessverfahrens auf die extrahierte physikalische Asymmetrie nahezu eliminiert wird ([Kes85] [Gay92]) Den

6 Verdi V5 Coherent GmbH Dieburg 7 Mira 900 D Coherent GmbH Dieburg


20

Abschluss des Lichttransportsystems bildet das Teleskop das den Laserspot auf die Photoka-thode fokussiert

32 Elektronenkanone und Strahlfuumlhrung

Die sich im Testquellenlabor befindliche Elektronenkanone PKAT (Polarisierter KAnonen-Testaufbau) wurde als exakte Kopie der am Beschleuniger verwendeten PKA1 aufgebaut um unter betriebsnahen Bedingungen neue Kathodenmaterialien zu testen und grundlegende Ei-genschaften der Photoemission spinpolarisierter Elektronen zu erforschen Ganz rechts in Abbildung 31 befindet sich die vertikal angeordnete Polarisierte Elektronen-kanone Der Laserstrahl wird unterhalb des Alphamagneten durch ein Vakuumfenster in das System gelenkt und auf die Kathode fokussiert In dem kreisfoumlrmigen Vergroumlszligerungsaus-schnitt in der Mitte der Zeichnung erkennt man die triodenartige Struktur der Elektronenka-none An der Photokathode liegt ein Potential von -100kV an der Vakuumtopf befindet sich auf Erdpotential so dass die aus der Photokathode austretenden Elektronen auf eine kineti-sche Energie von 100keV beschleunigt werden Dazwischen liefert eine Mittelelektrode auf -50kV die noumltige Feldformung Die Quantenausbeute dh der emittierte Photoelektronenstrom pro eingestrahlte Laserleis-tung und die Lebensdauer der Kathode haumlngen sehr empfindlich vom Zustand der Kristall-oberflaumlche ab Ein UHV-Vakuum von einigen 10-11mbar und eine Transmission der Elektro-nen innerhalb der Quelle und des ersten Strahlfuumlhrungsabschnitts von nahezu 100 sind die Voraussetzung fuumlr einen Langzeitbetrieb einer GaAsP-Quelle Aufgrund seiner endlichen Emittanz wird ein Elektronenstrahl auseinander laufen Man benouml-tigt daher elektronenoptische Elemente um den Strahl gebuumlndelt durch das Transfersystem zu faumldeln Der die Kanone verlassende divergente Strahl wird zunaumlchst von einem Quadrupol-dublett gebuumlndelt und auf den Alphamagneten fokussiert welcher den Strahl um 270deg in die Horizontale umlenkt Mit einem Quadrupoltriplett wird der vom Alphamagneten und Quadru-poldublett erzeugte Astigmatismus korrigiert Zwei Doppelsolenoide fokussieren den Strahl auf den Eingangsspalt des Toruskondensators um den fuumlr die Phasenaufloumlsung notwendigen Strahldurchmesser von 05mm zu erzeugen Im Fokus des ersten Doppelsolenoids befindet sich ein Linearscanner zur Strahlqualitaumltskontrolle Er ist mit zwei Leuchtschirmen zur Strahllagekontrolle einem Faraday-Cup zur Messung des Strahlstroms und drei Wolf-ramdraumlhten zur Abtastung des Strahlprofils bestuumlckt Weitere Details des Aufbaus und der Anbindung an das Kontrollsystem koumlnnen Referenz [Dom92 Ste93] entnommen werden

33 Polarisationsmessung

331 Spindreher

Um die Polarisation der Elektronen mit Hilfe der Mott-Streuung bestimmen zu koumlnnen muss die in der Photokathode erzeugte longitudinale Polarisation in eine transversale umgeformt werden da wegen der Paritaumltserhaltung der elektromagnetischen Wechselwirkung nur Polari-sationsanteile senkrecht zur Streuebene eine von Null verschiedene Analysierstaumlrke besitzen (siehe Abschnitt 24) Hierzu wurde vor dem Mottpolarimeter ein elektrostatischer Toruskon-densator aufgebaut [Koumlb94 Ste94] Mit dem von Bargmann Michel und Telegdi hergeleiteten Ausdruck fuumlr die Spinpraumlzession in makroskopischen elektromagnetischen Feldern [Bar59] berechnet man den erforderlichen


21

Ablenkwinkel fuumlr einen 100keV Elektronenstrahl zu 1077deg Der Polarisationsvektor praumlze-diert gleichzeitig nur um 177deg so dass er hinter dem Toruskondensator senkrecht zur Impuls-richtung steht Man kann gleichzeitig die Dispersion des Aufbaus fuumlr die Messung der longitudinalen kineti-schen Energieverteilung nutzen Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Toruskondensator je-doch ausschlieszliglich als Spinrotator fuumlr die Polarisationsmessung verwendet

332 Mottdetektor

Zur Polarisationsmessung dient der hinter dem Toruskondensator aufgebaute Mottdetektor Das Konzept seines mechanischen Aufbaus basiert auf dem von T Dombo entwickelten Li-nearscanners [Dom92] wobei die beiden Diagonaldraumlhte und ein Leuchtschirm durch einen Traumlger fuumlr fuumlnf Goldfolien ersetzt wurden Die Streuebene wird durch zwei Halbleiter-Sperrschicht-Detektoren beiderseits der Strahlachse definiert die durch eine Modifikation in das Gehaumluse integriert wurden Der Streuwinkel in der Ebene wird durch das Maximum der Shermanfunktion bei einer Elektronenenergie von 100keV zu 120deg festgelegt (Abbildung 33) Ein Leuchtschirm dient zur Strahldiagnose

e

P

R

θ

θL

Goldfolie

Abbildung 33 Streugeometrie

Abbildung 34 zeigt den Laumlngs- und den Querschnitt durch den Mottdetektor (aus [Har98])


22

Abbildung 34 Laumlngsschnitt und Querschnitt des Mott-Polarimeters (aus [Har98])

Der Laumlngsschnitt durch den Mottdetektor in Abbildung 34 zeigt die Vakuumkammer die mit dem Montageprofil verbunden die Verfahrvorrichtung des Linearscanners traumlgt Es koumlnnen linear ein ZnS-Schirm und fuumlnf Goldfolien in den hier von unten kommenden Elektronen-strahl positioniert werden Eine Ionen-Getter-Pumpe sorgt fuumlr ein gutes Vakuum (10-8

mbar) in der Naumlhe des Mott-Polarimeters In der Querschnittszeichnung des Mottdetektors erkennt man die beiden unter 120deg positio-nierten Si-Sperrschichtdetektoren Die Sperrspannungszufuumlhrung und Signalauslese werden uumlber eine Vakuumdurchfuumlhrung vorgenommen Eine Aluminiumblende engt den Raumwinkel ein unter dem die Elektronen betrachtet werden Ein Fenster dient der Beobachtung des E-lektronenstrahls auf dem ZnS-Schirm mit einer Videokamera ein weiteres daneben der Be-leuchtung des Schirms (nicht in der Abbildung zu sehen)

333 Faraday-Cup

Zur Messung des durch die Strahlfuumlhrung transmittierten Stroms wird ein Faraday-Cup am Ende der Strahlfuumlhrung verwendet Sein Aufbau ist in Abbildung 35 skizziert

Abbildung 35 Skizze des Faraday-Cups (aus [Hof93])


23

Der Aufbau unterdruumlckt die Ruumlckstreuung von Sekundaumlrelektronen und erlaubt damit eine sehr genaue Messung des Strahlstroms Er wird mit einem Pikoampegraveremeter uumlber einen ADC vom Kontrollsystem ausgelesen

334 Deflektorsystem

Abbildung 36 zeigt das Prinzip zur zeitaufgeloumlsten Messung der Polarisations- und Strahl-stromintensitaumltsverteilung der Elektronenpulse

Laserpulserzeugung und -synchronisation

lock

Klystron

Faradaycup

Mottdetektor

Deflektor

Photokathode

Laserstrahl

Blende

Spektrometere--Puls

HF Sender

245 GHz

Mira 900 Laser

7654 MHz

schieberPhasen-

Elektronenpulsanalyse

PhotodiodeSynchro-

-32

E

B

TM110

Abbildung 36 Schema des Messprinzips fuumlr zeitaufgeloumlste Messungen (aus [Har98])

Da in dieser Diplomarbeit auch die Polarisation bei Pulsung des Elektronenstrahls zeitaufge-loumlst gemessen werden soll muss eine Moumlglichkeit geschaffen werden die Phasenlage eines Elektrons relativ zur Sollphase zu messen Die im Mottanalysator verwendeten Si-Sperrschicht-Detektoren haben wie die meisten anderen Detektoren auch eine zu geringe Aufloumlsung um Details bei ca 40ps langen Pulsen bei einer Repetitionsrate von 2449Ghz zu messen Um diese Zeitstruktur aufloumlsen zu koumlnnen wird ein Deflektorresonator verwendet Dies ist ein Hohlraumresonator in welchem eine TM110-Welle angeregt wird Der Resonator ist so gebaut dass das B-Feld sich nur in der in Abbildung 36 gezeigten Weise ausbilden kann Mit dem im Resonator erzeugten in der Amplitude variierenden B-Feld wird der Elek-tronenstrahl uumlber eine 20microm Blende am Eintritt des Toruskondensators bdquogewedeltldquo Synchro-nisiert man jetzt die Pulsfrequenz des Lasers auf die Wedelfrequenz des Deflektors kann man den Elektronenpuls durch Verstimmen der Phase zwischen Laser und Deflektor uumlber die Blende bewegen Diese Kopplung zwischen Laser und Deflektor erreicht man indem man das Signal des Hochfrequenzsenders das im Klystron verstaumlrkt wird gleichzeitig zum so genann-


24

ten Synchro-lock des Pulslasers sendet Da der hier verwendete Pulslaser mit 7654MHz Pulswiederholungsfrequenz betrieben wird was der 32 Subharmonischen der Wedelfrequenz entspricht muss das 245GHz-Signal des Hochfrequenzsenders durch 32geteilt werden dh es wird nur alle 32 Wedelzyklen ein Puls generiert Im Synchro-lock wird diese Frequenz mit der Pulswiederholrate des Lasers synchronisiert Die Verstimmung der Pulswiederholrate des Lasers erreicht man durch Veraumlndern der Resonatorlaumlnge Um die Resonatorlaumlnge zu veraumln-dern verwendet man einen Piezo-Kristall der einen Endspiegel des Lasers linear bewegen kann Damit ist die Repetitionsrate des Lasers zunaumlchst auf die Klystronfrequenz abgestimmt Der Elektronenpuls wird nun aktiv stabilisiert indem die Elektronik des Synchro-lock-Systems Abweichungen von der festgestellten Phase durch entsprechende Resonatorlaumlngen-veraumlnderungen kompensiert Die Referenzphase kann durch einen Phasenschieber auszligerhalb des Regelkreises veraumlndert und so der Elektronenpuls uumlber die Schlitzblende bewegt werden Die zeitliche Ablage des Elektronenpulses ist in eine leicht zu messende eindimensionale raumlumliche Ablage transfor-miert worden Bei der vorgegebenen Referenzfrequenz von 2449GHz entspricht die Varia-tion des Phasenschiebers um ein Grad einem Zeitintervall von 113ps Da der Elektronenstrahl einen endlichen Durchmesser hat werden Anteile des Strahls nicht exakt mittig durch den Deflektorresonator laufen Durch das E-Feld welches nur in der Mitte uumlber alle Zeiten Null ist werden diese Randgebiete des Strahls beschleunigt bzw verzoumlgert Da der Toruskondensator energieselektiv ist wird der Elektronenstrahl aufgeweitet Bei der Polarisationsmessung kann es durch diese starke Verbreiterung des Elektronenstrahls zu Pro-blemen kommen Trifft der Elektronenstrahl anstatt auf das Target auf den Aluminiumtraumlger so wird die Asymmetriemessung verfaumllscht

4 Notwendige Verbesserungen am Mott-Polarimeter

25


41 Verkleinerung des systematischen Fehlers

Wie in Kapitel 1 schon erwaumlhnt wurde besteht eine der Aufgabenstellungen dieser Arbeit dar-in den systematischen Fehler der Polarisationsmessung zu minimieren Dies erfordert eine Neukalibrierung des Mottpolarimeters Die gemessene experimentelle Asymmetrie wird durch mehrfach elastisch gestreute Elektro-nen im Target abgesenkt so dass die Asymmetrie der Einzelstreuung nur durch eine sorgfaumllti-ge Extrapolationsprozedur gegen die Foliendicke Null genau festgelegt werden kann ([Ste94]) [Gay92] zeigt auf dass dies fuumlr einen Mottpolarimeter des hier verwendeten Typs mit einer relativen Genauigkeit von ∆PP=1hellip2 moumlglich ist Die Arbeit von Bermuth [Ber96] hat dies fuumlr den hier vorliegenden Polarimeter geleistet der von ihm ermittelte Fehler von 43 ist aber nicht nachvollziehbar und beruht vermutlich auf einer Fehlinterpretation der apparativen Asymmetrie Daher muss die Foliendickenextrapola-tion wiederholt werden Dabei ergibt sich zunaumlchst das Problem dass die fuumlr eine Eichung des Mottpolarimeters erforderliche Anzahl der Goldfolien zu Beginn dieser Arbeit nicht zur Ver-fuumlgung stehen

411 Beschaffung neuer Folien

Da zu Beginn dieser Arbeit nur noch zwei der urspruumlnglich vorhandenen fuumlnf Goldfolien in-takt waren wurden verschiedene Moumlglichkeiten eroumlrtert auf welche Weise man am effizien-testen neue geeignete Folien beschaffen koumlnnte Zur Auswahl standen die selbststaumlndige Her-stellung in einem der Physikalischen Institute und die kommerzielle Beschaffung von auszliger-halb der Universitaumlt Da schnell klar wurde dass das Institut nicht uumlber die noumltige Infrastruktur zur Folienherstel-lung verfuumlgte (viele der Geraumlte die zur Herstellung der alten Folien verwendet wurden waren inzwischen defekt oder ausgemustert) fiel die Wahl nach kurzen Verhandlungen auf die Ge-sellschaft fuumlr Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt Die GSI besitzt bereits die noumltige Infrastruktur und die Erfahrung da sie die von uns gewuumlnschten Goldtargets fuumlr ihre eigenen Beschleuniger quasi taumlglich herstellt Die GSI war zudem in der Lage die Folien innerhalb eines Monats und kostenfrei zu beschaffen so dass die Wahl nicht sonderlich schwer fiel An dieser Stelle moumlchte ich mich noch einmal herzlich bei Frau Dr Lommel bedanken die sich stets hilfsbereit zeigte und sich unbuumlrokratisch um meine Anliegen kuumlmmerte Fuumlr die Herstellung der Folien wird Kohlenstoff mit einer Massenbelegung von 12-13microgcm2 (entsprechend einer Dicke von 55nm) auf ein wasserloumlsliches Substrat (Betainsaccharose) gedampft In einem Wasserbad wird das Substrat aufgeloumlst und die aufschwimmenden Koh-lenstofffolien werden mit Targethaltern (Durchmesser 10mm) bdquoherausgefischtldquo und dort fi-xiert Anschlieszligend wird die Goldschicht in den gewuumlnschten Dicken auf den Kohlenstoff aufgedampft


26

Insgesamt wurden von der GSI 14 Folien beschafft Je zwei Folien mit Massenbelegungen von 13 21 44 75 165 und 325microgcm2 Gold auf Kohlenstoff (entsprechende Dicken 7 11 23 39 85 und 168nm) und zusaumltzlich zwei Folien mit reinem Kohlenstoffsubstrat fuumlr Unter-grundmessungen Es wurden nun 4 Goldtargets mit Massenbelegungen von 21 44 75 und 165microgcm2 und eine Folie mit reinem Kohlenstoffsubstrat gewaumlhlt und in den Linearscanner des Mott-Detektors eingebaut (Abbildung 41) Der besseren Uumlbersicht wegen sind die eingebauten und fuumlr die folgenden Experimente verwendeten Folien in Tabelle 41 aufgelistet die darin verwendete Nummerierung wird im weiteren Verlauf dieser Arbeit beibehalten

Abbildung 41 Die neuen Targets im Mott-Linearscanner

412 Probleme mit den neuen Targets

Nachdem die Positionen der einzelnen Folien im Linearscanner des Mottdetektors bestimmt waren wurden erste Messungen durchgefuumlhrt um die Foliendickenextrapolation vorzuberei-

Folien-Nummer

Position im Linear-scanner

Massenbelegung [microgcm2]

Dicke [nm]

1 114 mm 21 11

2 94 mm 44 23

3 74 mm 75 39

4 54 mm 165 85

5 34 mm 0 0 Tabelle 4 1 Die neuen Folien


27

ten Bereits diese ersten Messungen lieferten hinsichtlich der von der GSI angegebenen Mas-senbelegungen widerspruumlchliche Ergebnisse Die bei den einzelnen Folien bei konstantem Strahlstrom gemessenen Raten sollten sich pro-portional zur angegebenen Massenbelegung verhalten Traumlgt man also die Rate gegen die Massenbelegung auf so sollte sich ein linearer Kurvenverlauf zeigen Tatsaumlchlich gemessen wurde aber der in Abbildung 42 gezeigte Verlauf

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Ra

te [

Hz]

Abbildung 42 Nichtlinearer Zusammenhang zwischen Massenbelegung und Rate

Die Massenbelegung der Folie 2 stimmt offensichtlich nicht mit der von der GSI angegebenen Massenbelegung uumlberein und kann daher nicht in eine Foliendickenextrapolation miteinbezo-gen werden da die tatsaumlchliche Dicke der Folie 2 nicht bekannt ist Erwaumlhnenswert ist bei dieser Messung noch die sehr geringe Rate des reinen Kohlenstofftar-gets (entspricht einem Target mit der Massenbelegung Null) Der Untergrund des Goldtraumlgers traumlgt bei der duumlnnsten eingebauten Folie nur 3 zur Gesamtrate bei Um Erkenntnisse uumlber die tatsaumlchlichen Dickenverhaumlltnisse der Folien untereinander zu er-langen wurde eine Absorptionsspektroskopie der nicht in den Detektor eingebauten Folien darunter auch die bdquoZwillingsfolienldquo der sich im Detektor befindlichen Targets durchgefuumlhrt Das Ergebnis dieser spektralen Absorptionsmessung zeigt Abbildung 43


28

Abbildung 43 Transmission der Targets als Funktion der Wellenlaumlnge

Traumlgt man hier bei der Wellenlaumlnge mit maximaler Transmission den negativen Logarithmus der Transmission gegen die von der GSI angegebene Massenbelegung von Gold auf so erhaumllt man den in Abbildung 44 gezeigten Verlauf was auf eine korrekte Angabe der relativen Di-ckenverhaumlltnisse der einzelnen Folien untereinander schlieszligen laumlsst Dies steht jedoch im Wi-derspruch zu den Messergebnissen wie sie in Abbildung 42 zu sehen sind wonach Folie 2 dieselbe Dicke wie Folie 3 aufweisen sollte Aus der spektroskopischen Untersuchung der bdquoZwillingsfolienldquo konnten also keine Erkenntnisse uumlber das widerspruumlchliche Raten-Dicken-Verhaumlltnis gewonnen werden

Abbildung 44 Spektroskopische Untersuchung der bdquoZwillingsfolienldquo


29

413 Foliendickenextrapolation

Um dennoch Experimente mit den neu eingebauten Targets durchfuumlhren zu koumlnnen wurde entschieden fuumlr die zunaumlchst anstehende Foliendickenextrapolation auf Folie 2 zu verzichten und nur die Folien 1 3 und 4 zu verwenden deren Massenbelegungs-Raten-Verhaumlltnis einen annaumlhernd linearen Verlauf besitzt (Abbildung 45)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Rate

[H

z]

Abbildung 45 Linearer Verlauf der Raten-Massenbelegungs-Beziehung ohne Folie 2

Es wurde fuumlr die nun durchgefuumlhrte Foliendickenextrapolation bei konstant gehaltenem Strahlstrom die zur Foliendicke proportionale Rate8 der einzelnen Folien jeweils gegen die dort gemessene Asymmetrie aufgetragen Es ergab sich bei allen durchgefuumlhrten Foliendickenextrapolationen fuumlr die Asymmetrie bei Foliendicke Null eine um etwa 20 niedrigere Asymmetrie im Vergleich zu fruumlheren Mes-sungen Beispielhaft hierfuumlr wird eine Messung in Abbildung 46 gezeigt Die fuumlr diese Messung verwendete Photokathode ist ein Strained Layer Kristall dessen Polarisation aus zahlreichen fruumlheren Messungen an der Testquelle mit den alten Folien bekannt ist und etwa 80 betraumlgt Dies entspricht bei der im verwendeten Mottdetektordesign erwarteten Analysierstaumlrke von 0398 einer Asymmetrie von 32 Bei der in Abbildung 46 dargestellten Messung erhaumllt man bei der Foliendickenextrapolation aber nur einen Wert von etwa 25 Asymmetrie

8 Die Energieaufloumlsung der Detektoren reicht fuumlr diese Targetdicken nicht aus um Elektronen aus groszligen Tiefen durch ihre Bethe-Bloch Energieverluste zu diskriminieren


30

Abbildung 46 Vergleich der Foliendickenextrapolation mit fruumlherem Ergebnis

Daraus ergibt sich dass nicht nur die relativen Massenbelegungsangaben der einzelnen Folien in Frage gestellt werden muumlssen sondern auch die fuumlr einen Mottdetektor geforderten Eigen-schaften (insbesondere die Homogenitaumlt der Folienoberflaumlchen) naumlher untersucht werden muumlssen Fuumlr die hierzu notwendige Untersuchung der Morphologie der Goldtargets war Frau Anja Dion von der Gruppe Adrian aus dem Institut fuumlr Physik der Universitaumlt Mainz so freundlich mir mit ihrer Erfahrung in der Elektronenmikroskopie Hilfestellung zu leisten Die Zwillings-folien zu den im Detektor eingebauten Folien wurden mit Hilfe eines Rasterelektronenmikro-skops vergroumlszligert Die Resultate sind in den folgenden Abbildungen beispielhaft fuumlr die 22microgcm2-Folie zu sehen


31

Abbildung 47 REM-Aufnahme der 11nm-Folie (100fache Vergroumlszligerung)

Abbildung 48 REM-Aufnahme der 11nm-Folie (200szligfache Vergroumlszligerung)

Die Oberflaumlche der Goldfolien ist eindeutig inhomogen in ihrer Oberflaumlchenmorphologie An den Stellen an denen der Kohlenstoff sichtbar mit Gold bedampft wurde erkennt man mehre-


32

re Schichten von uumlbereinander liegenden Goldkristallen (bdquoGoldnuggetsldquo) waumlhrend auf ge-schaumltzten 5 der Oberflaumlche uumlberhaupt keine Beschichtung nachweisbar ist Bei der Foliendickenextrapolation muss auf Homogenitaumlt Wert gelegt werden ([Gay92]) Die REM-Aufnahmen zeigen jedoch eine voumlllig undefinierte Oberflaumlche deren Morphologie zu-dem noch fuumlr verschiedene Dicken unterschiedlich ist Wegen der unklaren Verhaumlltnisse kann kein zuverlaumlssiger Korrekturfaktor fuumlr den Einfluss der Foliengeometrie ermittelt werden so dass eine Absolutkalibration des Mottpolarimeters mit diesen Targets nicht moumlglich ist Somit kann aber auch die Untersuchung und Verkleinerung des systematischen Fehlers im Rahmen dieser Arbeit nicht vorgenommen werden Es ist jedoch hervorzuheben dass alle bisher durchgefuumlhrten Messungen reproduzierbar wa-ren Wenn auch keine Absolutwerte fuumlr die Polarisation des Elektronenstrahls bestimmt wer-den konnten so sind doch weiterhin Relativmessungen der Asymmetrien durchfuumlhrbar was die nun folgenden Teile dieser Arbeit ermoumlglicht

42 Verkleinerung des statistischen Fehlers bei zeitaufgeloumlsten Messungen

Um bei zeitaufgeloumlsten Asymmetriemessungen signifikante Ergebnisse zu erzielen muumlssen am Versuchsaufbau der Mottpolarimetrie Veraumlnderungen durchgefuumlhrt werden um die zu Be-ginn dieser Arbeit stoumlrenden hohen statistischen Fehler sowohl auf der Zeit- bzw Phasenskala als auch der Asymmetrie zu verkleinern Dabei muss zum einen gewaumlhrleistet sein dass die Phase fuumlr die Dauer einer Messung nahezu konstant gehalten werden kann zum anderen muss die Rate erhoumlht werden um die langen Messzeiten am Anfang und Ende des Bunchs zu ver-kuumlrzen

421 Phasenkontrolle

In ihrer Diplomarbeit hat M Weis unter anderem Phasenjittermessungen durchgefuumlhrt um zu untersuchen mit welcher Genauigkeit und Effizienz die Synchro-Lock-Einheit des Lasersys-tems die Phasenlage stabilisiert In Abbildung 49 ist der Aufbau des Phasendetektorsystems zur Phasenjittermessung dargestellt Er basiert im Wesentlichen auf dem Prinzip mit dem die Synchro-Lock-Einheit ihr Regelsignal generiert


33

MIRA 900

32

PhasenschieberSteuerungsprogramm

Synchro-Lock Frequenzteiler

MIRASteuereinheit

Foto-dioden

Deflektor

Mischer

Strahlteiler

245GHz76MHzTiefpassfilter

zur Quelle

Handphasen-schieber

Abbildung 49 Aufbau des Phasendetektorsystems (nach [Wei04])

Das HF-Referenzsignal fuumlr das Phasendetektorsystem wird am vom MAMI-Master gespeisten Deflektor ausgekoppelt Uumlber einen motorisierten Phasenschieber und einen 132-Abwaumlrtsteiler gelangt es zur Synchro-Lock-Einheit Die rechnergestuumltzte Einheit ist fuumlr die Phasenlage und Phasenstabilitaumlt des mit 76MHz gepulsten MIRA 900 Lasers verantwortlich Sie erhaumllt ihr Feedback-Signal von einer Photodiode die von einem mit einem Strahlteiler ausgekoppelten Teil des Strahls zur Quelle versorgt wird Das Referenzsignal einer zweiten strahlteilerangekoppelten 7GHz Photodiode gelangt uumlber einen 245GHz Bandpass zu einem Mischer der es mit dem phasenjustierten HF-Referenzsignal mischt Da nur der niederfre-quente Anteil des Phasendifferenzsignals interessiert gelangt das Mischersignal uumlber einen Tiefpass zu einem AnalogDigitalwandler der es digitalisiert und damit fuumlr die weitere digita-le Signalverarbeitung verfuumlgbar macht Man erhaumllt fuumlr den niederfrequenten Anteil wegen ω1=ω2 die zur Phasendifferenz φ(t) pro-portionale Groumlszlige U

))(cos())(()cos( 212211 tUUttUtUU ϕϕωω sdot=minussdot=


34

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 200 400 600 800 1000

Phase [deg]

Sig

na

l [m

V]

Abbildung 410 Eichkurve des Handphasenschiebers

In Abbildung 410 ist der sinusfoumlrmige Verlauf des Ausgangssignals des Mischers in Abhaumln-gigkeit von der Phasenlage zwischen Deflektor und Laser dargestellt Als Arbeitspunkt waumlhlt man den Ort groumlszligter Steigung das heiszligt den Null-Durchgang der Sinusfunktion da hier das Signal annaumlhernd linear von der Phase abhaumlngt

)())(cos( 21)(212

tUUtUUUt

ϕϕ πϕsdotasympsdot=

=

Die dargestellte Eichkurve ergibt im Null-Durchgang eine Steigung von 02 mV pro Grad Da das Ausgangssignal des Mischers von der Intensitaumlt des Photodiodensignals abhaumlngt muss vor jeder Messung die Steigung im Null-Durchgang des Phasenschiebers bestimmt und so die Phasenmessung geeicht werden Mit dem Handphasenschieber kann man nun waumlhrend der Dauer einer Polarisationsmessung die Phase durch Nachjustieren annaumlhernd (plusmn05deg) konstant halten

422 Erhoumlhung der Rate

Um die Raten im Mottdetektor zu erhoumlhen wurden die Blendenoumlffnungen der beiden Si-Sperrschicht-Detektoren von 2mm Durchmesser auf 8mm Durchmesser vergroumlszligert und somit die wirksame Detektorflaumlche versechzehnfacht Hierbei wird erwartet dass die Rate um den Faktor 16 erhoumlht wird und dadurch der angestrebte statistische Fehler in einer 16fach kuumlr-zeren Messzeit erreichbar ist Die mit Vergroumlszligerung der Blendenoumlffnungen einhergehende Erhoumlhung der Rate birgt jedoch moumlgliche Probleme Diese sollen im Folgenden naumlher eroumlrtert werden Analysierstaumlrke Durch die Vergroumlszligerung der Blendenoumlffnungen wird die Raumwinkelakzep-tanz der Detektoren erhoumlht Da die Analysierstaumlrke eine vom Streuwinkel abhaumlngige Funktion darstellt muss zunaumlchst uumlberpruumlft werden inwiefern die Vergroumlszligerung des vom Detektor bdquoge-sehenenldquo Raumwinkels die Shermanfunktion veraumlndern wird


35

Abbildung 411 Vom Detektor gesehene Raumwinkel mit alten (schwarz) und mit neuen (rot) Blenden

Die Detektoren stehen in einem Winkel von 120deg zur einfallenden Strahlrichtung Dort hat die Shermanfunktion ein ausgedehntes relatives Minimum von 0398 (siehe Abbildung 212) Abbildung 411 zeigt die von den Detektoren gesehenen Raumwinkel mit den alten (schwarz) und den neuen (rot) Blenden Bei einer Blendenoumlffnung von 2mm ergibt sich bei der Entfer-nung Streufolie-Detektorflaumlche von 694mm ein Oumlffnungswinkel von 17deg so dass Elektro-nen mit Streuwinkeln von 1183deg bis 1217deg gezaumlhlt werden koumlnnen Die Aumlnderung der Sher-manfunktion von ihrem Wert bei 120deg ist kleiner 01 Werden die Blendenoumlffnungen auf 8mm Durchmesser vergroumlszligert so ergibt dies Oumlffnungswinkel von 66deg es werden nun Streuwinkel von 1134deg bis 1266deg gesehen Die Shermanfunktion variiert hierbei im Mittel um lt05 (relative Abweichung vom Maximalwert) Es kann also gesagt werden dass die Vergroumlszligerung der Blenden keinen nennenswerten zusaumltzlichen Fehler in der Asymmetrie zur Folge hat Totzeit Mit den alten Blenden (2mm Durchmesser) konnte man die Polarisation nur in der Mitte eines Bunchs bei moderaten Stroumlmen in akzeptablen Messzeiten bestimmen Moderate Stroumlme sind hier in der Groumlszligenordnung von einigen Nanoampegravere Bei houmlheren Stroumlmen wird die Zeitstruktur des Bunchs durch Raumladungseffekte verfaumllscht bei niedrigeren Stroumlmen ist die Zaumlhlrate der Mottdetektoren zu gering Bei 5nA Strahlstrom erhaumllt man Raten von 1kHz im zeitaufgeloumlsten Strahlstromintensitaumltsmaximum mit einer notwendigen Messzeit von 2 Minuten fuumlr 1 relative statistische Genauigkeit Messungen am Bunchanfang und am Bunchende weisen nur Raten von ca 1Hz auf und haben daher 1000fach laumlngere Zeiten was wiederum mit den Anforderungen die aus der Phasendrift resultieren kollidiert (siehe 421) Durch die Blendenvergroumlszligerung erreicht man dort zwar 20Hz so dass hier in akzeptabler Zeit eine Messung durchgefuumlhrt werden kann in der Bunchmitte erhaumllt man nun aber Raten in der Groumlszligenordnung 2x104

Hz Dies fuumlhrt dazu dass Totzeiteffekte in den Detektoren auftre-ten die die Asymmetriewerte verfaumllschen Im Rahmen dieser Diplomarbeit ergaben sich bei der Analyse der Abhaumlngigkeit der Asym-metrie vom Elektronenstrom Hinweise auf eine durch Totzeitverluste bedingte Verfaumllschung


36

der Asymmetriemessungen Der dabei beobachtete in Abbildung 412 gezeigte Abfall der Asymmetrie bei steigendem Strom kann durch die Totzeitverluste des Detektorsystems erklaumlrt werden denn es gilt fuumlr die beobachtete Asymmetrie Aobs

)1( τsdotminussdot= WAA Wobs

unter der Voraussetzung dass τsdotW ltlt1 Hierbei bezeichnen Aobs die gemessene AW die wah-re Asymmetrie W die wahre Rate und τ die Detektortotzeit

0 2 4 6 8 10

260

261

262

263

264

265

266

Asy

mm

etrie

[]

I [nA]

Abbildung 412 Abhaumlngigkeit der Asymmetrie vom Strahlstrom

Um die Totzeit des Detektors zu bestimmen wurde der eingestellte Strahlstrom gegen die je-weils dabei gemessene Rate aufgetragen Mit Hilfe des Computeralgebraprogramms MATHEMATICA wurde ein Fit mit dem fuumlr nicht paralysierbare Detektoren geltenden funk-tionalen Zusammenhang (siehe [Kno79])

ττ sdotsdot+

sdot=

sdot+=

Ik

Ik

W

WWR

11)(exp

durchgefuumlhrt Rexp bezeichnet hierbei die experimentell gemessene Rate W die (in einem idea-len Detektor messbare) zum Strom I proportionale wahre Rate k die zugehoumlrige Proportiona-litaumltskonstante und τ die Detektortotzeit


37

Abbildung 413 Fit zur Bestimmung der Totzeit τ

Der in Abbildung 413 gezeigte Fit ergab eine Totzeit von

smicroτ 812=

Mit der so bestimmten Totzeit des Detektorsystems koumlnnen nun aus den gemessenen Raten die wahren Raten uumlber

ττ

sdotminus=

exp

exp

exp1

)(R

RRW

berechnet und hieraus die totzeitkorrigierten Asymmetrien bestimmt werden Elektronen-HaloGesichtsfeldvergroumlszligerung Bevor man mit dem Mottpolarimeter eine Mes-sung durchfuumlhrt muss ein Detektorspektrum aufgenommen werden um durch Setzen einer geeigneten bdquoFenstergroumlszligeldquo des SCA9 nur die fuumlr die Asymmetriebestimmung relevanten Elek-tronen zu zaumlhlen welche an der Goldfolie einfach elastisch gestreut wurden In Abbildung 414 ist ein Spektrum dargestellt das noch mit den alten 2mm-Blenden und der von J Ber-muth stammenden 10nm-Goldfolie aufgenommen wurde

9 SCA single channel analyser


38

05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]

Theshold [V]

Abbildung 414 Detektorspektrum mit alten Blenden ohne Spalt

Der steile Anstieg bei Schwellenspannungen lt06V stammt vom Detektor- bzw Elektronik-rauschen Bei dem Peak handelt es sich um das Signal der an Gold elastisch gestreuten Elekt-ronen die unter einem Winkel von 120deg zum Detektor gelangen und die fuumlr die Messung der Asymmetrie von Bedeutung sind Vor dem Peak ist ein Untergrund zu erkennen der sich so-wohl aus inelastisch gestreuten Elektronen als auch aus vielfach gestreuten Elektronen zu-sammensetzt

Abbildung 415 Gesichtsfeld der Detektoren mit alten (schwarz) und mit neuen (rot) Blenden

Vergleicht man nun dieses Spektrum mit einem Spektrum das man mit den neuen groumlszligeren Blenden erhaumllt (Abbildung 416) so faumlllt die unverhaumlltnismaumlszligig groszlige Uumlberhoumlhung des Un-tergrunds auf Er laumlsst sich mit dem im Vergleich zu den kleineren Blenden groumlszliger geworde-nem Gesichtsfeld der Detektoren (Abbildung 415) erklaumlren Es werden jetzt viel mehr der am Targethalter oder der Vakuumkammer gestreuten Elektronen nachgewiesen die aufgrund der

Valley

Peak


39

Bethe-Bloch Energieverluste beliebige Energien aufweisen koumlnnen Das Auftauchen eines schlechten PeakValley-Verhaumlltnisses muss auch mit einer Veraumlnderung des elastischen Sig-nals durch am Aluminium gestreute Elektronen einhergehen so dass die gemessene Asym-metrie reduziert wird Zum Beispiel entsteht durch Aufstreuung des zirkularpolarisierten La-serlichts an Staubpartikeln im Strahlengang ein Lichtkegel der beinahe den gesamten Kristall ausleuchtet Dadurch umgibt eine Elektronenwolke der so genannte Halo den eigentlich scharf begrenzt gewuumlnschten Elektronenbunch Besonders die Elektronen aus dem Halo der die Elektronen auf der Sollbahn umgeben treffen auf Targethalter Strahlfaumlnger und andere Bauteile des Mottpolarimeters und erzeugen so den unerwuumlnscht groszligen Untergrund der nun mit dem groumlszliger gewordenen Gesichtsfeld besonders stark ins Gewicht faumlllt

05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Rat

e [H

z]

Schwellenspannung [-V]

Abbildung 416 Detektorspektrum mit neuen Blenden ohne Spalt

Da in dieser Arbeit jedoch zeitaufgeloumlste Asymmetriemessungen durchgefuumlhrt werden muss der 20microm breite Spalt vor dem Toruskondensator in den Elektronenstrahlengang gefahren werden der den Halo vom zu untersuchenden Bunch absepariert Waumlhrend das Spektrum in Abbildung 416 ohne Spalt aufgenommen wurde ist fuumlr das in Abbildung 417 genommene Spektrum der Spalt im Strahlengang und separiert den Halo weitgehend ab das Peak zu Val-ley Verhaumlltnis ist wieder von einer akzeptablen Groumlszligenordnung

05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]


Abbildung 417 Detektorspektren mit neuen Blenden mit Spalt


40

Es bleibt zu sagen dass die Kollimation durch den Spalt die Experimente in keiner Weise einschraumlnkt In dc-Messungen hat man immer genug Intensitaumlt um auch mit Spalt messen zu koumlnnen

5 Experimentelle Ergebnisse

41


Mit den im vorangegangenen Kapitel beschriebenen Verbesserungen des Mottpolarimeters war es nun moumlglich verbesserte zeitaufgeloumlste Daten uumlber das Polarisationsprofil eines 20ps Elektronenpulses zu erhalten Das zeitliche Aufloumlsungsvermoumlgen des Mottdetektors der Test-quelle konnte dabei erstmals voll ausgenutzt und so Aussagen uumlber die Depolarisationszeit-konstante eines Superlattice-Kristalls gemacht werden

51 Ruumlckblick Expandierte Messungen

Bevor die im Rahmen dieser Diplomarbeit erreichten Verbesserungen des Mottpolarimeters

bull Ratenerhoumlhung bull Phasenkontrolle bull Totzeitberuumlcksichtigung

zur Verfuumlgung standen war man auf so genannte Expansionsmessungen angewiesen um In-formationen uumlber das zeitaufgeloumlste Polarisationsprofil der in der polarisierten Quelle erzeug-ten Elektronen zu erlangen Das Prinzip der Expansionsmessungen besteht in einer Uumlberhoumlhung des Elektronenstroms um den Bunch infolge seiner eigenen Raumladung in die Laumlnge zu ziehen und so einen breiteren Bereich in der Phase mit Messpunkten abdecken zu koumlnnen

Abbildung 51 Expansionsmessung der Asymmetrie und des Intensitaumltsprofils


42

Die in der Einleitung schon einmal gezeigte Abbildung 51 gibt das Resultat einer solchen Polarisations- und Intensitaumltsmessung mit expandierten Elektronenpulsen an der Superlattice Kathode SL-5-337 bei einem Elektronenstrom von 300nA wieder Im unteren Teil der Abbildung 51 ist das Intensitaumltsprofil bei einem Elektronenstrom von 1nA eingezeichnet so wie er uumlblicherweise fuumlr Polarisationsmessungen in der Testkanone erzeugt wird Das Profil wurde der besseren Uumlbersicht wegen um einen Faktor 10 in Richtung der Ordinate gestreckt Man erkennt in der Abbildung 51 dass bei dieser Expansionsmessung die Laumlnge der Elektronenpulse um einen Faktor gt2 (gt5 fuumlr die Halbwertsbreite) verlaumlngert wird wodurch eine Verbesserung des apparativen Aufloumlsungsvermoumlgens um den gleichen Faktor erreicht werden kann Nur so war man bisher in der Lage mit der bis dato bestehenden Unsicherheit von ca 2-3ps in der Zeitskala den durch Depolarisationsprozesse bedingten Abfall der Polarisation innerhalb der Elektronenpulse sichtbar zu machen Mit den im Kapitel 4 beschriebenen Verbesserungen der Messapparatur konnten nun erstmals zeitaufgeloumlste Asymmetriemessungen vorgenommen werden ohne dass der Elektronenpuls durch Raumladungsexpansion kuumlnstlich in die Laumlnge gezogen werden musste

52 Diskussion der Eigenschaften von SL-5-99810 im dc-Betrieb

Vor der Interpretation der mit dem modifizierten Messsystem durchgefuumlhrten zeitaufgeloumlsten Asymmetriemessungen muumlssen zunaumlchst noch einige wichtige Eigenschaften des untersuch-ten Superlattice diskutiert werden Leider steht die Kathode SL-5-337 die fuumlr die Messungen aus Abbildung 51 verwendet wurde nicht mehr zur Verfuumlgung so dass die in den folgenden Abschnitten vorgestellten Resultate von Experimenten mit der (nominell identischen) Katho-de SL-5-998 stammen Die Struktur dieses Superlattice ist in Abbildung 52 dargestellt (Np bezeichnet den Dotierungsgrad)

Abbildung 52 Struktur des SL-5-998

10 SL-5-998 bezeichnet die Produktionscharge des Joffe-Instituts in St Petersburg das die Photokathode herge-stellt hat


43

760 780 800 820 840 8604

6

8

10

12

14

16

18

20

22

1E-3

001

01

1

10 Asymmetrie

Asy

mm

etrie

[]

Wellenlaumlnge [nm]

Quantenausbeute

Qua

nten

ausb

eute

[microA

mW

]

Abbildung 53 Asymmetrie- und Pulsintensitaumltsspektrum des SL-5-998 im dc-Betrieb

Abbildung 53 zeigt das von der Wellenlaumlnge des eingestrahlten Laserlichts abhaumlngige Asym-metriespektrum (schwarz) und Quantenausbeutespektrum (rot) von SL-5-998 Das Asymme-triemaximum liegt bei einer Wellenlaumlnge von etwa 790nm Bei diesen Photonenenergien werden selektiv Elektronen aus den P32ndashZustaumlnden (bdquoheavy-holeldquo-Elektronen) des Valenz-bandes in das Leitungsband angehoben Die Quantenausbeute betraumlgt dort 1microAmW Dies ist der ideale Arbeitspunkt fuumlr den Betrieb am Beschleuniger da hier maximale Polarisation bei bestmoumlglicher Quantenausbeute vorliegt11 Zu kleineren Wellenlaumlngen (entsprechend groumlszligeren Photonenenergien) hin koumlnnen in immer staumlrkerem Maszlige auch die P12-Zustaumlnde (bdquolight-holeldquo-Elektronen) im naumlchsten Miniband des Superlattice angeregt werden was zu dem beobachtbaren Abfall der Asymmetrie in Abbildung 53 fuumlhrt Gleichzeitig resultiert daraus der Anstieg der Quantenausbeute es wer-den nun mehr Photoelektronen bei gleicher Lichtintensitaumlt emittiert Bei groumlszligeren Wellenlaumlngen erleidet die Quantenausbeute bei 810nm einen steilen Abfall Hier wird die Photoenergie zu klein um die Gap-Energie des Superlattice zu uumlberwinden Die Quantenausbeute faumlllt jedoch nicht auf Null ab Auch die Asymmetrie folgt nicht weiter ihrem bis hierhin fallenden Verlauf sondern steigt vielmehr wieder leicht an Dies liegt an der Emis-sion aus der 6nm dicken GaAs-Decklayerschicht welche auf der Oberflaumlche des Superlattice aufgebracht ist Der Decklayer soll zum einen verhindern dass das in den (In)AlGaAs-Schichten des Superlattice enthaltene Aluminium oxidieren und die sich dadurch bildende Aluminiumoxidschicht die Photoemission unterbinden wuumlrde Zum anderen ermoumlglicht diese Substanz mit einer im Vergleich zu dem Superlattice kleineren Bandluumlcke einen leichteren Austritt der Elektronen ins Vakuum

11 Im Betrieb an MAMI werden 6microAmW erreicht


44

Die Asymmetriekurve folgt dem bei GaAs erwarteten Verlauf wo bei Uumlberschreiten der Ab-sorptionsschwelle bei ca865nm die Polarisation langsam abnimmt [Kes85] Dass die Quantenausbeute der aus dem reinen GaAs emittierten Elektronen bei Wellenlaumlngen oberhalb 810nm die fuumlr GaAs-Bulk-Kathoden typischen Werte nicht erreicht liegt an der nur 6nm betragenden Dicke des Decklayers In einer solch duumlnnen Schicht wird nur ein Bruchteil des Anregungslichts absorbiert da die Absorptionslaumlnge fuumlr Licht dieser Wellenlaumlnge in GaAs 15microm betraumlgt [Cas76] Typischerweise betraumlgt die Quantenausbeute einer GaAs-Bulk-Photokathode mit einer Dicke von der Groumlszligenordnung seiner Absorptionslaumlnge etwa 10microAmW Bei einer Dicke von 6nm sollte daher die Quantenausbeute in der Groumlszligenord-nung von einigen 10nAmW liegen was bei der in Abbildung 53 gezeigten Messung auch beobachtet wurde

53 Diskussion der zeitaufgeloumlsten Asymmetriemessungen

Die in den folgenden Abschnitten vorgestellten Resultate stammen aus Experimenten die bei einer Wellenlaumlnge von 790nm und einem Elektronenstrom von 5nA durchgefuumlhrt wurden Wie in Abschnitt 51 bereits erwaumlhnt wurde war es fuumlr zeitaufgeloumlste Polarisationsmessungen noumltig den Elektronenpuls durch Raumladungsexpansion zu strecken um aussagekraumlftige Re-sultate uumlber sein Asymmetrieprofil zu erhalten Eine nichtexpandierte Asymmetriemessung mit den alten kleineren Blenden und ohne Phasendetektorsystem zeigt Abbildung 54

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

-2 0 2 4 6 8 10 12

Laserphasendifferenz [deg]

Asym

metr

ie [

]

Abbildung 54 Zeitaufgeloumlste Asymmetriemessung vor den Verbesserungen

Da fuumlr die gezeigte Messung noch kein Phasendetektorsystem vorhanden war musste die Phase fuumlr die nacheinander aufgenommenen Messpunkte uumlber den motorisierten Phasenschie-ber an die zu vermessende Stelle gefahren werden von wo aus sie in unkontrollierbarer Weise wegdriften konnte Es konnten nur 5 Messpunkte aufgenommen werden da die Messzeiten fuumlr weiter auszligen lie-gende Messpunkte aufgrund der geringen Rate Stunden betragen haumltten um einen statistischen Fehler von unter 5 zu erhalten Innerhalb solcher Zeitraumlume driftet jedoch die Phase uumlber mehrere Grad [Wei04]


45

Mit Hilfe der nun zur Verfuumlgung stehenden Phasenkontrolle besteht jetzt die Moumlglichkeit uumlber weite Phasenbereiche Messpunkte aufzunehmen und so ein dezidiertes Bild eines zeitaufge-loumlsten Asymmetriespektrums zu erhalten Durch die Kombination der Phasenkontrolle mit der durch die groumlszligeren Blenden erhoumlhten Rate werden die Messungen schnell und effektiv Fuumlr die in Abbildung 55 gezeigte Messung wurden fuumlr das Erreichen eines statistischen Fehlers von unter 1 im Intensitaumltsmaximum wenige Sekunden in den weiter auszligen liegenden Bereichen etwa 10 Minuten benoumltigt Gleichzeitig konnte der statistische Fehler in der Phase auf 05deg beschraumlnkt werden

Abbildung 55 Zeitaufgeloumlste Messungen mit Verbesserungen

Durch Integration wurde fuumlr den gesamten Elektronenpuls eine durchschnittliche Polarisation von 2438 errechnet Im Polarisationsmaximum hat der Puls eine Asymmetrie von 2551 und liegt dort somit um relative 463 Prozent uumlber dem Durchschnittswert SL-5-998 wird als Alternative zu den bislang an MAMI benutzten Strained Layer Kathoden verwendet Bei Polarisationsmessungen an MAMI wird uumlber das gesamte Pulsprofil gemittelt SL-5-998 erzielt dabei absolute Polarisationsgrade (ermittelt durch das Moslashllerpolarimeter der A1 Kollaboration an MAMI) von 78-82 was der Polarisation von Strained Layer Kathoden entspricht Die Polarisation im Maximum der Asymmetriekurve sollte also 10463(7882) Prozent betragen Waumlhrend jedoch die Pulsantwort von Strained Layer Kathoden mit lt2ps sehr schnell ist (sie-he zB [Aul02]) ist die von 5-998 relativ langsam so dass die durch den BAP-Prozess ver-mittelte Depolarisation hier die mittlere Polarisation herabsetzt Vergleicht man die Polarisa-tionsgrade direkt nach der Absorption so muumlsste 5-998 also sogar houmlhere Werte als der Strai-ned Layer liefern Die lange Antwortzeit ist keine zwingende Eigenschaft von Superlattices wie [Sch04] gezeigt hat so dass durchaus noch groumlszligere mittlere Polarisationsgrade erzeugt werden koumlnnen wenn die Transporteigenschaften fuumlr die Leitungsbandelektronen besser sind


46

Daruumlber hinaus besitzt 5-998 gegenuumlber Strained Layer Kathoden die Vorteile einer doppelt so hohen Quantenausbeute sowie die einfachere Herstellung im MBE Verfahren und somit bessere Reproduzierbarkeit und Verlaumlsslichkeit im Bezug auf die Reproduktion der NEA-Aktivierung Speziell der letzte Punkt ist ein wichtiger praktischer Vorteil fuumlr den Einsatz am Beschleuniger

531 Bestimmung der Depolarisationskonstanten

Aus der abfallenden Flanke eines Asymmetrieprofils konnte mit Hilfe eines exponentiellen Fits erstmals die Depolarisationszeitkonstante eines Superlattice bestimmt werden Abbildung 56 zeigt den mit MATHEMATICA durchgefuumlhrten Fit an die Messpunkte mit einer exponentialen Zerfallskurve der Form

)exp()( xxf sdotminus= τ

Hieraus erhaumllt man fuumlr die Zerfallskonstante also die Depolarisationszeitkonstante

τ = 40ps

Abbildung 56 Fit zur Depolarisationskonstantenbestimmung

532 Wiederanstieg der Polarisation

Im abfallenden Ast der Asymmetriekurve zeigt sich etwa 16ps vom Maximum der Asymmet-rie entfernt ein Wiederanstieg der Polarisation Im Intensitaumltsprofil ist an der gleichen Stelle eine Abflachung des Abfalls der Rate zu beobachten Dieser Sachverhalt laumlsst sich durch die Hypothese erklaumlren dass ein um 16ps in der Zeit ver-zoumlgerter Reflex des Laserpulses die Photokathode nach dem eigentlichen Laserpuls erreicht und so einen zweiten intensitaumltsschwaumlcheren Elektronenbunch mit wiederum anfaumlnglich ho-her Polarisation aus dem Superlattice herausloumlst Ein moumlglicher Grund fuumlr den Reflex waumlre ein nicht ausreichend entspiegeltes Element im lichtoptischen Aufbau Da das Laserlicht waumlhrend 16ps in Glas etwa 3mm zuruumlcklegt koumlnn-te es sich hierbei zum Beispiel um einen Doppelreflex in einem Neutraldichtefilter handeln der eine Abmessung in dieser Groumlszligenordnung aufweist


47

Zur Uumlberpruumlfung dieser Hypothese (nach 16ps erneute Emission eines Elektronenpulses mit gleicher Asymmetrie- und Intensitaumltsverteilung aber nur 1 der Ladung) wurde ein Fit mit einer Funktion

)()( Ttfktf minussdot+

durchgefuumlhrt wobei k den prozentualen Anteil der Intensitaumlt des mit der Zeit T verzoumlgerten zweiten Elektronenpulses angibt Der in Abbildung 57 gezeigte Fit zeigt die Anpassung an die Daten

-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

08

10

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

00

02

04

06

08

10

Asy

mm

etrie

max

(Asy

m)

PhaseGrad

Asymmetrie gefitted durch exp Zerfall mit tau=40ps und Uumlberlagerung von 1 frischen Elektronen nach 16ps

Intensitaumltsverlauf nach Diffusionsmodell fuumlr 100nm dicke Schicht und D=2cm^2sEintreffen eines zweiten Lichtpulses nach 16ps mit einer Staumlrke von 1

Rat

em

ax(R

ate)

Abbildung 57 Fit an die zeitaufgeloumlsten Messdaten mit dazugehoumlrigen Fits

Die Asymmetrie wurde gefittet durch eine exponentielle Zerfallsfunktion mit einer Zerfalls-konstante τ = 40ps und einer Uumlberlagerung von k = 1 bdquofrischenldquo Elektronen Der Fit fuumlr den Intensitaumltsverlauf beruht auf einem Diffusionsmodell (siehe 214) fuumlr eine 100nm dicke Schicht und dem Eintreffen eines zweiten Lichtpulses nach 16ps mit einer rela-tiven Staumlrke von 1 Aus dem Fit erhaumllt man fuumlr das Superlattice eine Diffusionskonstante von D = 2cm2s Dies beschreibt die relativ lange Emissionszeit des Superlattice im Vergleich zu Strained-Layer-Kathoden fuumlr die eine (fuumlr GaAs typische) Diffusionskonstante von 40cm2s vorliegt

533 Absenkung der Polarisation am Bunchanfang

Es zeigt sich am Anfang des Pulses in einem Bereich der etwa 3 des Integrals des Pulspro-fils umfasst eine Absenkung der Polarisation Diese geringer polarisierten Elektronen wurden


48

im Rahmen dieser Diplomarbeit zum ersten Mal beobachtet Sie lassen sich durch die bereits beschriebenen GaAs-Decklayerschicht erklaumlren Da die Absenkung der Asymmetrie im vordersten Bereich des Pulses beobachtet wird sollten die fuumlr den Polarisationsabfall verantwortlichen Elektronen diejenigen sein die das Superlat-tice als erste verlassen konnten Diese wuumlrden dann aus der obersten aus reinem GaAs beste-henden Schicht des Superlattice stammen fuumlr die in der Tat nur ein maximaler Polarisations-grad von 50 vorliegen kann Dass diese GaAs-Elektronen von den in tieferen Schichten des Superlattice angeregten Elektronen uumlberholt werden koumlnnen erscheint aufgrund der in Ab-schnitt 532 bestimmten geringeren Diffusionskonstanten der (In)AlGaAs-Elektronen extrem unwahrscheinlich Die Diffusionskonstante von GaAs betraumlgt 40cm2s und liegt damit um eine Groumlszligenordnung uumlber der des Superlattice Ohnehin ist die freie Weglaumlnge der Elektronen in GaAs nm

v

D 303 gegegege====λλλλ groumlszliger als die Schichtdicke so dass ballistische Emission dh ohne

Wechselwirkung vorliegen sollte Dass die aus der GaAs-Decklayerschicht stammenden Elektronen in den Daten von SL-5-337 nicht beobachtet wurden laumlsst zwei Erklaumlrungsmoumlglichkeiten offen

I) Der Beitrag von GaAs-Elektronen ist bei 5-337 kleiner Dies erscheint unwahr-scheinlich denn aus den mir zur Verfuumlgung stehenden Herstellerangaben soll es sich bei den beiden untersuchten Superlattice-Kathoden SL-5-337 und SL-5-998 um einen nominell identischen Kristallaufbau handeln Auch dass die Quantenaus-beute im entsprechenden Wellenlaumlngenbereich fuumlr beide Kathoden in der gleicher Groumlszligenordnung (~10-2

microAmW) liegen spricht nicht fuumlr einen unterschiedlichen Anteil an GaAs-Elektronen

II) Die Messung von 5-337 war durch die Schwierigkeiten (Abwesenheit der vorteil-haften Aspekte der houmlheren Rate und der verbesserten Phasenkontrolle) so behin-dert dass nur der steigende Trend der Asymmetrie wirklich beobachtet werden konnte

Eine genaue Beurteilung des Einflusses der GaAs-Elektronen geschieht durch eine Bestim-mung der Gesamtmenge an GaAs-Elektronen aus dem Quantenausbeutespektrum

49

6 Zusammenfassung und Ausblick

Im Rahmen dieser Arbeit sollte zum einen der Mottpolarimeter an der Testquelle fuumlr polari-sierte Elektronen an MAMI neu kalibriert und damit der systematische Fehler bei der Abso-lutbestimmung der gemessenen Polarisation minimiert werden Zum anderen sollte der Mottdetektor modifiziert werden um zeitaufgeloumlste Asymmetriemes-sungen schneller und damit effizienter durchfuumlhren zu koumlnnen Fuumlr die Neukalibrierung des Mottdetektors mussten fuumlr die Foliendickenextrapolation neue Folien beschafft werden Diese erwiesen sich aufgrund ihrer inhomogenen Oberflaumlchenmor-phologie fuumlr eine Kalibrierung als unbrauchbar konnten jedoch fuumlr Relativmessungen der Asymmetrie verwendet werden Des Weiteren wurde der Raumwinkel und somit die Rate bei gleichem Primaumlrstrom der De-tektoren des Mottpolarimeters erhoumlht um die Bereiche im Asymmetriespektrum mit extrem niedriger Intensitaumlt vermessen zu koumlnnen Die dadurch vergroumlszligerte Reduktion in der Analy-sierstaumlrke liegt mit unter 05 Prozent in einem akzeptablen Rahmen Die Totzeit der Detektoren konnte bestimmt werden so dass nun erstmals die durch die Tot-zeitverluste bedingte Verfaumllschung der Asymmetriemessungen korrigiert werden kann Die von [Wei04] entwickelte Phasendetektion konnte hier zur verbesserten Kontrolle der Pha-senlage verwendet werden was den Fehler waumlhrend der zeitaufgeloumlsten Polarisationsmessung deutlich verringert hat Durch die Realisierung der eben angefuumlhrten apparativen Modifikationen war es nun erstmals moumlglich die Depolarisationszeit der photoemittierten Elektronen einer Superlattice-Struktur zu bestimmen Dank der verbesserten Zeitaufloumlsung war es zudem erstmals moumlglich die nied-rigere Polarisation der Elektronen aus den obersten Schichten zu beobachten In apparativer Hinsicht sollte die Phasenkontrolle mit Hilfe eines digitalen oder analogen Re-gelmechanismus automatisiert werden Die Voraussetzungen hierfuumlr wurden bereits durch die Anbindung des Phasenablagesignals an das Kontrollsystem des Quellenteststands geschaffen Natuumlrlich muumlssen fuumlr die noch anstehende Foliendickenextrapolation neue verbesserte Folien beschafft werden um eine verbesserte Kalibrierung des Mottpolarisators zu realisieren

50

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 11 Zeitaufgeloumlste Intensitaumlts- und Polarisationsmessung 3 Abbildung 21 (a) Aufbau des Zinkblendengitters und (b) erste Brillouin Zone des kubisch-

flaumlchenzentrierten Gitters 5 Abbildung 22 Bandschema von GaAs (links) und GaP (rechts) nach [Che76] 6 Abbildung 23 Vergroumlszligerter Ausschnitt des Bandschemas von GaAs und das zugehoumlrige

Energieniveauschema an der Bandkante 7 Abbildung 24 Undotierter Halbleiter 9 Abbildung 25 p-dotierter Halbleiter 10 Abbildung 26 Halbleiter nach Caumlsierung 10 Abbildung 27 Schema der Photoemission nach Spicer 11 Abbildung 28 Brechung der Kristallsymmetrie beim Strained Layer Kristall (a) und das zugehoumlrige

Energieniveauschema an der Bandkante (b) 13 Abbildung 29 Schema eines Superlattice-Kristalls mit Minibaumlndern 13 Abbildung 210 Spinrelaxationsprozesse nach [Fis77] 15 Abbildung 211 Variation des Streupotentials 16 Abbildung 212 Sherman-Funktion fuumlr verschiedene Energien (nach [Mot64]) 17 Abbildung 31 Testquellenlabor ohne UHV-Schleuse Klystron und Lasersystem (aus [Har98]) 18 Abbildung 32 Schema des Lichtoptischen Aufbaus (aus [Wei04]) 19 Abbildung 33 Streugeometrie 21 Abbildung 34 Laumlngsschnitt und Querschnitt des Mott-Polarimeters (aus [Har98]) 22 Abbildung 35 Skizze des Faraday-Cups (aus [Hof93]) 22 Abbildung 36 Schema des Messprinzips fuumlr zeitaufgeloumlste Messungen (aus [Har98]) 23 Abbildung 41 Die neuen Targets im Mott-Linearscanner 26 Abbildung 42 Nichtlinearer Zusammenhang zwischen Massenbelegung und Rate 27 Abbildung 43 Transmission der Targets als Funktion der Wellenlaumlnge 28 Abbildung 44 Spektroskopische Untersuchung der bdquoZwillingsfolienldquo 28 Abbildung 45 Linearer Verlauf der Raten-Massenbelegungs-Beziehung ohne Folie 2 29 Abbildung 46 Vergleich der Foliendickenextrapolation mit fruumlherem Ergebnis 30 Abbildung 47 REM-Aufnahme der 11nm-Folie (100fache Vergroumlszligerung) 31 Abbildung 48 REM-Aufnahme der 11nm-Folie (200szligfache Vergroumlszligerung) 31 Abbildung 49 Aufbau des Phasendetektorsystems (nach [Wei04]) 33 Abbildung 410 Eichkurve des Handphasenschiebers 34 Abbildung 411 Vom Detektor gesehene Raumwinkel mit alten (schwarz) und mit neuen (rot) Blenden 35 Abbildung 412 Abhaumlngigkeit der Asymmetrie vom Strahlstrom 36 Abbildung 413 Fit zur Bestimmung der Totzeit τ 37 Abbildung 414 Detektorspektrum mit alten Blenden ohne Spalt 38 Abbildung 415 Gesichtsfeld der Detektoren mit alten (schwarz) und mit neuen (rot) Blenden 38 Abbildung 416 Detektorspektrum mit neuen Blenden ohne Spalt 39 Abbildung 417 Detektorspektren mit neuen Blenden mit Spalt 39 Abbildung 51 Expansionsmessung der Asymmetrie und des Intensitaumltsprofils 41 Abbildung 52 Struktur des SL-5-998 42 Abbildung 53 Asymmetrie- und Pulsintensitaumltsspektrum des SL-5-998 im dc-Betrieb 43 Abbildung 54 Zeitaufgeloumlste Asymmetriemessung vor den Verbesserungen 44 Abbildung 55 Zeitaufgeloumlste Messungen mit Verbesserungen 45 Abbildung 56 Fit zur Depolarisationskonstantenbestimmung 46 Abbildung 57 Fit an die zeitaufgeloumlsten Messdaten mit dazugehoumlrigen Fits 47

51

Literaturverzeichnis

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ter Elektronen an MAMI Diplomarbeit Institut fuumlr Kernphysik Johannes-Gutenberg-Universitaumlt Mainz 2004

54

Danksagung

An dieser Stelle moumlchte ich Herrn Prof Dr D von Harrach danken der mir diese Arbeit er-moumlglicht hat Bei ihm fing mein Studium (mit meinem ersten Ex-Schein) an in seiner Ar-beitsgruppe endet es nun auch Ganz besonders moumlchte ich mich bedanken bei Herrn Dr Kurt bdquoAuleldquo Aulenbacher fuumlr die intensive Betreuung Ohne seine Anregungen und Unterstuumltzung bei Problemen mit der Test-quelle waumlre diese Arbeit kaum moumlglich gewesen Besonderer Dank gebuumlhrt auch Herrn Prof Dr Reichert fuumlr die regelmaumlszligig stattfindenden Gruppentreffen mit ihm Von seinem unermesslicher Erfahrungsschatz konnte ich oftmals profitieren Auszligerdem danke ich den uumlbrigen Mitgliedern der Arbeitsgruppe B2 Dr Valerie Tioukine und Roman Barday sowie den Veteranen Gerhard Arz und Monika Weis fuumlr das erquickliche Arbeitsklima Der Beschleunigergruppe B1 und den mechanischen Werkstaumltten danke ich fuumlr die Hilfestel-lung bei all den Katastrophen die uumlber ein Experimentalphysiklabor so hereinbrechen koumln-nen Im Besonderen soll hierbei Frau Andrea Nuck genannt sein die mir bei so manch langer Messkampagne Hilfe und Gesellschaft leistete und Herr Frank Fichtner der mich unter ande-rem in die hohe Kunst des Loumltens einfuumlhrte Mein Dank gilt natuumlrlich auch meinen Eltern die mir dieses Studium in existentieller Hinsicht uumlberhaupt erst ermoumlglicht haben In dieser Danksagung zuletzt im Herzen an erster Stelle danke ich meiner Seelenpartnerin Kris und meiner Tochter Runa Ihre Liebe und Geduld haben mir das Durchhalten auf den vielen Durststrecken bei der Fertigstellung dieser Arbeit versuumlszligt

2

Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 3 2 Theoretische Grundlagen 5

21 Photoemission aus GaAs-Kristallen 5 211 Der GaAs-Kristall 5 212 Erzeugung spinpolarisierter Elektronen 7 213 Austritt ins Vakuum 8 214 Das Spicer Modell der Photoemission 11

22 Erhoumlhung der Polarisation durch Symmetriebrechung 12 221 Strained Layer 12 222 Superlattice 13

23 Depolarisationseffekte 14 231 Bir-Aronov-Pikus Prozess (BAP) 15

24 Mottpolarimetrie 16 3 Aufbau der Testquelle polarisierter Elektronen 18

31 Lichtoptischer Aufbau 19 32 Elektronenkanone und Strahlfuumlhrung 20 33 Polarisationsmessung 20

331 Spindreher 20 332 Mottdetektor 21 333 Faraday-Cup 22 334 Deflektorsystem 23

4 Notwendige Verbesserungen am Mott-Polarimeter 25 41 Verkleinerung des systematischen Fehlers 25

411 Beschaffung neuer Folien 25 412 Probleme mit den neuen Targets 26 413 Foliendickenextrapolation 29

42 Verkleinerung des statistischen Fehlers bei zeitaufgeloumlsten Messungen 32 421 Phasenkontrolle 32 422 Erhoumlhung der Rate 34

5 Experimentelle Ergebnisse 41 51 Ruumlckblick Expandierte Messungen 41 52 Diskussion der Eigenschaften von SL-5-998 im dc-Betrieb 42 53 Diskussion der zeitaufgeloumlsten Asymmetriemessungen 44

531 Bestimmung der Depolarisationskonstanten 46 532 Wiederanstieg der Polarisation 46 533 Absenkung der Polarisation am Bunchanfang 47

6 Zusammenfassung und Ausblick 49 Abbildungsverzeichnis 50 Literaturverzeichnis 51 Danksagung 54

1 Einleitung

3

1 Einleitung





1 Einleitung

4




5












6






121

212 ak π=

r








7









8







3

2

21

23

21

21

2

23

23

21

21

=minus+

minusminus

WW

WW

H

H


1

2

23

23

21

21

2

21

23

21

21

=++

+minus

WW

WW

H

H



1minus=jm


darr+uarr

darrminusuarr=

NN

NNP


3131 minus== +

minusP und bei






9

Leitungsband


Valenzband

EL

EF

EV

E

x

Φχ






10

Leitungsband


Valenzband

EL

EF

EV

E

x

Φ

χ



Leitungsband

Valenzband

EL

EF

EV

E

x

Φ

χ

Kristall Vakuum



11



VakuumGaAs

hν

aktive Zone

Anregung


VBM



am Ort rr



)()(

)()( 2 trcD

trctrg

t

trc rr

rr

nabla+minus=part

partτ

Der erste Term

gt

leminusminusminus=

minus

aktiveZonez

aktiveZonezzRItrg

tt

0

)exp())(exp()1()(

20 0

0 αα τr



r






q

kTD

micro=



12



221 Strained Layer





13

32p

s+

20-50 meV

(b)+12-12

-12 +12

+32-32

-12 +12

p12

12s

s-

Leitungsband

Valenzband

Deformation

uniaxiale

(a)

aa

a

b

arsquoarsquo

EStrain

EGap



222 Superlattice


AlGaAs

GaAs

AlGaAs AlGaAs

GaAs GaAs GaAs

E

E

z

effektiv

Gap

dEV

EL

EV




14


VeffektivGap






15







)(rSJVAH BAPBAP

rrrδsdot=



νσε 1

1 )(

1hN

T=


cm2


16

24 Mottpolarimetrie





)()(

2

122

SLdr

rdV

cmBV

e

LS



LSCeff VVV +=

ss

s s

Rechtsstreuung

l l

Linksstreuung V

r r





d

d

d

dMott

σσ





17

RL

RL

NN

NNA

+

minus=


( )Θ=perp

S

AP



-065

-055

-045

-035

-025

-015

-005 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180


An

aly

sie

rstauml

rke

01 MeV

04 MeV

10 MeV

20 MeV

35 MeV

50 MeV




18






19



Auto-korrelator

Phasen-detektor


Abschwaumlcher

MIRA 900

ShutterBlende

Wand

Linse

Pockelszelle

Teleskop

zur Kathode

Vakuumfenster






20





331 Spindreher



21


332 Mottdetektor


e

P

R

θ

θL

Goldfolie




22




333 Faraday-Cup




23


334 Deflektorsystem



lock

Klystron

Faradaycup

Mottdetektor

Deflektor

Photokathode

Laserstrahl

Blende

Spektrometere--Puls

HF Sender

245 GHz

Mira 900 Laser

7654 MHz

schieberPhasen-


PhotodiodeSynchro-

-32

E

B

TM110




24



25







26





Folien-Nummer



Dicke [nm]

1 114 mm 21 11

2 94 mm 44 23

3 74 mm 75 39

4 54 mm 165 85



27


0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Ra

te [

Hz]




28





29



0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Rate

[H

z]





30




31





32




421 Phasenkontrolle



33

MIRA 900

32



MIRASteuereinheit

Foto-dioden

Deflektor

Mischer

Strahlteiler


zur Quelle

Handphasen-schieber





34

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 200 400 600 800 1000

Phase [deg]

Sig

na

l [m

V]



)())(cos( 21)(212

tUUtUUUt


=





35





36




0 2 4 6 8 10

260

261

262

263

264

265

266

Asy

mm

etrie

[]

I [nA]



ττ sdotsdot+

sdot=

sdot+=

Ik

Ik

W

WWR

11)(exp



37



smicroτ 812=


ττ

sdotminus=

exp

exp

exp1

)(R

RRW




38

05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]

Theshold [V]





Valley

Peak


39


05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Rat

e [H

z]




05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]




40



41









42







43

760 780 800 820 840 8604

6

8

10

12

14

16

18

20

22

1E-3

001

01

1

10 Asymmetrie

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mm

etrie

[]

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Quantenausbeute

Qua

nten

ausb

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]





44




18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

-2 0 2 4 6 8 10 12


Asym

metr

ie [

]




45





46






τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

08

10

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

00

02

04

06

08

10

Asy

mm

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max

(Asy

m)

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em

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48


v







49



50






51




















52
















Rev 103 p1601 1956

53






54

Danksagung


1 Einleitung

3

1 Einleitung





1 Einleitung

4




5












6






121

212 ak π=

r








7









8







3

2

21

23

21

21

2

23

23

21

21

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minusminus

WW

WW

H

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1

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23

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221 Strained Layer





13

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s+

20-50 meV

(b)+12-12

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p12

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Leitungsband

Valenzband

Deformation

uniaxiale

(a)

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EStrain

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222 Superlattice


AlGaAs

GaAs

AlGaAs AlGaAs

GaAs GaAs GaAs

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Gap

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VeffektivGap






15







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RL

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-065

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An

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rke

01 MeV

04 MeV

10 MeV

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50 MeV




18






19



Auto-korrelator

Phasen-detektor


Abschwaumlcher

MIRA 900

ShutterBlende

Wand

Linse

Pockelszelle

Teleskop

zur Kathode

Vakuumfenster






20





331 Spindreher



21


332 Mottdetektor


e

P

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Goldfolie




22




333 Faraday-Cup




23


334 Deflektorsystem



lock

Klystron

Faradaycup

Mottdetektor

Deflektor

Photokathode

Laserstrahl

Blende

Spektrometere--Puls

HF Sender

245 GHz

Mira 900 Laser

7654 MHz

schieberPhasen-


PhotodiodeSynchro-

-32

E

B

TM110




24



25







26





Folien-Nummer



Dicke [nm]

1 114 mm 21 11

2 94 mm 44 23

3 74 mm 75 39

4 54 mm 165 85



27


0

1000

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0 50 100 150 200


Ra

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Hz]




28





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6000

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0 50 100 150 200


Rate

[H

z]





30




31





32




421 Phasenkontrolle



33

MIRA 900

32



MIRASteuereinheit

Foto-dioden

Deflektor

Mischer

Strahlteiler


zur Quelle

Handphasen-schieber





34

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 200 400 600 800 1000

Phase [deg]

Sig

na

l [m

V]



)())(cos( 21)(212

tUUtUUUt


=





35





36




0 2 4 6 8 10

260

261

262

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265

266

Asy

mm

etrie

[]

I [nA]



ττ sdotsdot+

sdot=

sdot+=

Ik

Ik

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11)(exp



37



smicroτ 812=


ττ

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38

05 10 15 20 25 300

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Rat

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39


05 10 15 20 25 300

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01

1

10 Asymmetrie

Asy

mm

etrie

[]

Wellenlaumlnge [nm]

Quantenausbeute

Qua

nten

ausb

eute

[microA

mW

]





44




18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

-2 0 2 4 6 8 10 12


Asym

metr

ie [

]




45





46






τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

08

10

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

00

02

04

06

08

10

Asy

mm

etrie

max

(Asy

m)

PhaseGrad



Rat

em

ax(R

ate)






48


v







49



50






51




















52
















Rev 103 p1601 1956

53






54

Danksagung


1 Einleitung

4




5












6






121

212 ak π=

r








7









8







3

2

21

23

21

21

2

23

23

21

21

=minus+

minusminus

WW

WW

H

H


1

2

23

23

21

21

2

21

23

21

21

=++

+minus

WW

WW

H

H



1minus=jm


darr+uarr

darrminusuarr=

NN

NNP


3131 minus== +

minusP und bei






9

Leitungsband


Valenzband

EL

EF

EV

E

x

Φχ






10

Leitungsband


Valenzband

EL

EF

EV

E

x

Φ

χ



Leitungsband

Valenzband

EL

EF

EV

E

x

Φ

χ

Kristall Vakuum



11



VakuumGaAs

hν

aktive Zone

Anregung


VBM



am Ort rr



)()(

)()( 2 trcD

trctrg

t

trc rr

rr

nabla+minus=part

partτ

Der erste Term

gt

leminusminusminus=

minus

aktiveZonez

aktiveZonezzRItrg

tt

0

)exp())(exp()1()(

20 0

0 αα τr



r






q

kTD

micro=



12



221 Strained Layer





13

32p

s+

20-50 meV

(b)+12-12

-12 +12

+32-32

-12 +12

p12

12s

s-

Leitungsband

Valenzband

Deformation

uniaxiale

(a)

aa

a

b

arsquoarsquo

EStrain

EGap



222 Superlattice


AlGaAs

GaAs

AlGaAs AlGaAs

GaAs GaAs GaAs

E

E

z

effektiv

Gap

dEV

EL

EV




14


VeffektivGap






15







)(rSJVAH BAPBAP

rrrδsdot=



νσε 1

1 )(

1hN

T=


cm2


16

24 Mottpolarimetrie





)()(

2

122

SLdr

rdV

cmBV

e

LS



LSCeff VVV +=

ss

s s

Rechtsstreuung

l l

Linksstreuung V

r r





d

d

d

dMott

σσ





17

RL

RL

NN

NNA

+

minus=


( )Θ=perp

S

AP



-065

-055

-045

-035

-025

-015

-005 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180


An

aly

sie

rstauml

rke

01 MeV

04 MeV

10 MeV

20 MeV

35 MeV

50 MeV




18






19



Auto-korrelator

Phasen-detektor


Abschwaumlcher

MIRA 900

ShutterBlende

Wand

Linse

Pockelszelle

Teleskop

zur Kathode

Vakuumfenster






20





331 Spindreher



21


332 Mottdetektor


e

P

R

θ

θL

Goldfolie




22




333 Faraday-Cup




23


334 Deflektorsystem



lock

Klystron

Faradaycup

Mottdetektor

Deflektor

Photokathode

Laserstrahl

Blende

Spektrometere--Puls

HF Sender

245 GHz

Mira 900 Laser

7654 MHz

schieberPhasen-


PhotodiodeSynchro-

-32

E

B

TM110




24



25







26





Folien-Nummer



Dicke [nm]

1 114 mm 21 11

2 94 mm 44 23

3 74 mm 75 39

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27


0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Ra

te [

Hz]




28





29



0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Rate

[H

z]





30




31





32




421 Phasenkontrolle



33

MIRA 900

32



MIRASteuereinheit

Foto-dioden

Deflektor

Mischer

Strahlteiler


zur Quelle

Handphasen-schieber





34

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 200 400 600 800 1000

Phase [deg]

Sig

na

l [m

V]



)())(cos( 21)(212

tUUtUUUt


=





35





36




0 2 4 6 8 10

260

261

262

263

264

265

266

Asy

mm

etrie

[]

I [nA]



ττ sdotsdot+

sdot=

sdot+=

Ik

Ik

W

WWR

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37



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exp

exp

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800

1000

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Rat

e [H

z]

Theshold [V]





Valley

Peak


39


05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Rat

e [H

z]




05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]




40



41









42







43

760 780 800 820 840 8604

6

8

10

12

14

16

18

20

22

1E-3

001

01

1

10 Asymmetrie

Asy

mm

etrie

[]

Wellenlaumlnge [nm]

Quantenausbeute

Qua

nten

ausb

eute

[microA

mW

]





44




18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

-2 0 2 4 6 8 10 12


Asym

metr

ie [

]




45





46






τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

08

10

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

00

02

04

06

08

10

Asy

mm

etrie

max

(Asy

m)

PhaseGrad



Rat

em

ax(R

ate)






48


v







49



50






51




















52
















Rev 103 p1601 1956

53






54

Danksagung



5












6






121

212 ak π=

r








7









8







3

2

21

23

21

21

2

23

23

21

21

=minus+

minusminus

WW

WW

H

H


1

2

23

23

21

21

2

21

23

21

21

=++

+minus

WW

WW

H

H



1minus=jm


darr+uarr

darrminusuarr=

NN

NNP


3131 minus== +

minusP und bei






9

Leitungsband


Valenzband

EL

EF

EV

E

x

Φχ






10

Leitungsband


Valenzband

EL

EF

EV

E

x

Φ

χ



Leitungsband

Valenzband

EL

EF

EV

E

x

Φ

χ

Kristall Vakuum



11



VakuumGaAs

hν

aktive Zone

Anregung


VBM



am Ort rr



)()(

)()( 2 trcD

trctrg

t

trc rr

rr

nabla+minus=part

partτ

Der erste Term

gt

leminusminusminus=

minus

aktiveZonez

aktiveZonezzRItrg

tt

0

)exp())(exp()1()(

20 0

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r






q

kTD

micro=



12



221 Strained Layer





13

32p

s+

20-50 meV

(b)+12-12

-12 +12

+32-32

-12 +12

p12

12s

s-

Leitungsband

Valenzband

Deformation

uniaxiale

(a)

aa

a

b

arsquoarsquo

EStrain

EGap



222 Superlattice


AlGaAs

GaAs

AlGaAs AlGaAs

GaAs GaAs GaAs

E

E

z

effektiv

Gap

dEV

EL

EV




14


VeffektivGap






15







)(rSJVAH BAPBAP

rrrδsdot=



νσε 1

1 )(

1hN

T=


cm2


16

24 Mottpolarimetrie





)()(

2

122

SLdr

rdV

cmBV

e

LS



LSCeff VVV +=

ss

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Rechtsstreuung

l l

Linksstreuung V

r r





d

d

d

dMott

σσ





17

RL

RL

NN

NNA

+

minus=


( )Θ=perp

S

AP



-065

-055

-045

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An

aly

sie

rstauml

rke

01 MeV

04 MeV

10 MeV

20 MeV

35 MeV

50 MeV




18






19



Auto-korrelator

Phasen-detektor


Abschwaumlcher

MIRA 900

ShutterBlende

Wand

Linse

Pockelszelle

Teleskop

zur Kathode

Vakuumfenster






20





331 Spindreher



21


332 Mottdetektor


e

P

R

θ

θL

Goldfolie




22




333 Faraday-Cup




23


334 Deflektorsystem



lock

Klystron

Faradaycup

Mottdetektor

Deflektor

Photokathode

Laserstrahl

Blende

Spektrometere--Puls

HF Sender

245 GHz

Mira 900 Laser

7654 MHz

schieberPhasen-


PhotodiodeSynchro-

-32

E

B

TM110




24



25







26





Folien-Nummer



Dicke [nm]

1 114 mm 21 11

2 94 mm 44 23

3 74 mm 75 39

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27


0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Ra

te [

Hz]




28





29



0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Rate

[H

z]





30




31





32




421 Phasenkontrolle



33

MIRA 900

32



MIRASteuereinheit

Foto-dioden

Deflektor

Mischer

Strahlteiler


zur Quelle

Handphasen-schieber





34

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-10

-5

0

5

10

15

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na

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V]



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tUUtUUUt


=





35





36




0 2 4 6 8 10

260

261

262

263

264

265

266

Asy

mm

etrie

[]

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sdot+=

Ik

Ik

W

WWR

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smicroτ 812=


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exp

exp

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RRW




38

05 10 15 20 25 300

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600

800

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Rat

e [H

z]

Theshold [V]





Valley

Peak


39


05 10 15 20 25 300

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400

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Rat

e [H

z]




05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]




40



41









42







43

760 780 800 820 840 8604

6

8

10

12

14

16

18

20

22

1E-3

001

01

1

10 Asymmetrie

Asy

mm

etrie

[]

Wellenlaumlnge [nm]

Quantenausbeute

Qua

nten

ausb

eute

[microA

mW

]





44




18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

-2 0 2 4 6 8 10 12


Asym

metr

ie [

]




45





46






τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

08

10

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

00

02

04

06

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10

Asy

mm

etrie

max

(Asy

m)

PhaseGrad



Rat

em

ax(R

ate)






48


v







49



50






51




















52
















Rev 103 p1601 1956

53






54

Danksagung



6






121

212 ak π=

r








7









8







3

2

21

23

21

21

2

23

23

21

21

=minus+

minusminus

WW

WW

H

H


1

2

23

23

21

21

2

21

23

21

21

=++

+minus

WW

WW

H

H



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darr+uarr

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9

Leitungsband


Valenzband

EL

EF

EV

E

x

Φχ






10

Leitungsband


Valenzband

EL

EF

EV

E

x

Φ

χ



Leitungsband

Valenzband

EL

EF

EV

E

x

Φ

χ

Kristall Vakuum



11



VakuumGaAs

hν

aktive Zone

Anregung


VBM



am Ort rr



)()(

)()( 2 trcD

trctrg

t

trc rr

rr

nabla+minus=part

partτ

Der erste Term

gt

leminusminusminus=

minus

aktiveZonez

aktiveZonezzRItrg

tt

0

)exp())(exp()1()(

20 0

0 αα τr



r






q

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micro=



12



221 Strained Layer





13

32p

s+

20-50 meV

(b)+12-12

-12 +12

+32-32

-12 +12

p12

12s

s-

Leitungsband

Valenzband

Deformation

uniaxiale

(a)

aa

a

b

arsquoarsquo

EStrain

EGap



222 Superlattice


AlGaAs

GaAs

AlGaAs AlGaAs

GaAs GaAs GaAs

E

E

z

effektiv

Gap

dEV

EL

EV




14


VeffektivGap






15







)(rSJVAH BAPBAP

rrrδsdot=



νσε 1

1 )(

1hN

T=


cm2


16

24 Mottpolarimetrie





)()(

2

122

SLdr

rdV

cmBV

e

LS



LSCeff VVV +=

ss

s s

Rechtsstreuung

l l

Linksstreuung V

r r





d

d

d

dMott

σσ





17

RL

RL

NN

NNA

+

minus=


( )Θ=perp

S

AP



-065

-055

-045

-035

-025

-015

-005 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180


An

aly

sie

rstauml

rke

01 MeV

04 MeV

10 MeV

20 MeV

35 MeV

50 MeV




18






19



Auto-korrelator

Phasen-detektor


Abschwaumlcher

MIRA 900

ShutterBlende

Wand

Linse

Pockelszelle

Teleskop

zur Kathode

Vakuumfenster






20





331 Spindreher



21


332 Mottdetektor


e

P

R

θ

θL

Goldfolie




22




333 Faraday-Cup




23


334 Deflektorsystem



lock

Klystron

Faradaycup

Mottdetektor

Deflektor

Photokathode

Laserstrahl

Blende

Spektrometere--Puls

HF Sender

245 GHz

Mira 900 Laser

7654 MHz

schieberPhasen-


PhotodiodeSynchro-

-32

E

B

TM110




24



25







26





Folien-Nummer



Dicke [nm]

1 114 mm 21 11

2 94 mm 44 23

3 74 mm 75 39

4 54 mm 165 85



27


0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Ra

te [

Hz]




28





29



0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Rate

[H

z]





30




31





32




421 Phasenkontrolle



33

MIRA 900

32



MIRASteuereinheit

Foto-dioden

Deflektor

Mischer

Strahlteiler


zur Quelle

Handphasen-schieber





34

-15

-10

-5

0

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0 200 400 600 800 1000

Phase [deg]

Sig

na

l [m

V]



)())(cos( 21)(212

tUUtUUUt


=





35





36




0 2 4 6 8 10

260

261

262

263

264

265

266

Asy

mm

etrie

[]

I [nA]



ττ sdotsdot+

sdot=

sdot+=

Ik

Ik

W

WWR

11)(exp



37



smicroτ 812=


ττ

sdotminus=

exp

exp

exp1

)(R

RRW




38

05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]

Theshold [V]





Valley

Peak


39


05 10 15 20 25 300

200

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Rat

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z]




05 10 15 20 25 300

200

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1200

Rat

e [H

z]




40



41









42







43

760 780 800 820 840 8604

6

8

10

12

14

16

18

20

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1E-3

001

01

1

10 Asymmetrie

Asy

mm

etrie

[]

Wellenlaumlnge [nm]

Quantenausbeute

Qua

nten

ausb

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[microA

mW

]





44




18

19

20

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22

23

24

25

26

27

28

-2 0 2 4 6 8 10 12


Asym

metr

ie [

]




45





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τ = 40ps





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-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

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08

10

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

00

02

04

06

08

10

Asy

mm

etrie

max

(Asy

m)

PhaseGrad



Rat

em

ax(R

ate)






48


v







49



50






51




















52
















Rev 103 p1601 1956

53






54

Danksagung



7









8







3

2

21

23

21

21

2

23

23

21

21

=minus+

minusminus

WW

WW

H

H


1

2

23

23

21

21

2

21

23

21

21

=++

+minus

WW

WW

H

H



1minus=jm


darr+uarr

darrminusuarr=

NN

NNP


3131 minus== +

minusP und bei






9

Leitungsband


Valenzband

EL

EF

EV

E

x

Φχ






10

Leitungsband


Valenzband

EL

EF

EV

E

x

Φ

χ



Leitungsband

Valenzband

EL

EF

EV

E

x

Φ

χ

Kristall Vakuum



11



VakuumGaAs

hν

aktive Zone

Anregung


VBM



am Ort rr



)()(

)()( 2 trcD

trctrg

t

trc rr

rr

nabla+minus=part

partτ

Der erste Term

gt

leminusminusminus=

minus

aktiveZonez

aktiveZonezzRItrg

tt

0

)exp())(exp()1()(

20 0

0 αα τr



r






q

kTD

micro=



12



221 Strained Layer





13

32p

s+

20-50 meV

(b)+12-12

-12 +12

+32-32

-12 +12

p12

12s

s-

Leitungsband

Valenzband

Deformation

uniaxiale

(a)

aa

a

b

arsquoarsquo

EStrain

EGap



222 Superlattice


AlGaAs

GaAs

AlGaAs AlGaAs

GaAs GaAs GaAs

E

E

z

effektiv

Gap

dEV

EL

EV




14


VeffektivGap






15







)(rSJVAH BAPBAP

rrrδsdot=



νσε 1

1 )(

1hN

T=


cm2


16

24 Mottpolarimetrie





)()(

2

122

SLdr

rdV

cmBV

e

LS



LSCeff VVV +=

ss

s s

Rechtsstreuung

l l

Linksstreuung V

r r





d

d

d

dMott

σσ





17

RL

RL

NN

NNA

+

minus=


( )Θ=perp

S

AP



-065

-055

-045

-035

-025

-015

-005 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180


An

aly

sie

rstauml

rke

01 MeV

04 MeV

10 MeV

20 MeV

35 MeV

50 MeV




18






19



Auto-korrelator

Phasen-detektor


Abschwaumlcher

MIRA 900

ShutterBlende

Wand

Linse

Pockelszelle

Teleskop

zur Kathode

Vakuumfenster






20





331 Spindreher



21


332 Mottdetektor


e

P

R

θ

θL

Goldfolie




22




333 Faraday-Cup




23


334 Deflektorsystem



lock

Klystron

Faradaycup

Mottdetektor

Deflektor

Photokathode

Laserstrahl

Blende

Spektrometere--Puls

HF Sender

245 GHz

Mira 900 Laser

7654 MHz

schieberPhasen-


PhotodiodeSynchro-

-32

E

B

TM110




24



25







26





Folien-Nummer



Dicke [nm]

1 114 mm 21 11

2 94 mm 44 23

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27


0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Ra

te [

Hz]




28





29



0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Rate

[H

z]





30




31





32




421 Phasenkontrolle



33

MIRA 900

32



MIRASteuereinheit

Foto-dioden

Deflektor

Mischer

Strahlteiler


zur Quelle

Handphasen-schieber





34

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 200 400 600 800 1000

Phase [deg]

Sig

na

l [m

V]



)())(cos( 21)(212

tUUtUUUt


=





35





36




0 2 4 6 8 10

260

261

262

263

264

265

266

Asy

mm

etrie

[]

I [nA]



ττ sdotsdot+

sdot=

sdot+=

Ik

Ik

W

WWR

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37



smicroτ 812=


ττ

sdotminus=

exp

exp

exp1

)(R

RRW




38

05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]

Theshold [V]





Valley

Peak


39


05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Rat

e [H

z]




05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]




40



41









42







43

760 780 800 820 840 8604

6

8

10

12

14

16

18

20

22

1E-3

001

01

1

10 Asymmetrie

Asy

mm

etrie

[]

Wellenlaumlnge [nm]

Quantenausbeute

Qua

nten

ausb

eute

[microA

mW

]





44




18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

-2 0 2 4 6 8 10 12


Asym

metr

ie [

]




45





46






τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

08

10

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

00

02

04

06

08

10

Asy

mm

etrie

max

(Asy

m)

PhaseGrad



Rat

em

ax(R

ate)






48


v







49



50






51




















52
















Rev 103 p1601 1956

53






54

Danksagung



8







3

2

21

23

21

21

2

23

23

21

21

=minus+

minusminus

WW

WW

H

H


1

2

23

23

21

21

2

21

23

21

21

=++

+minus

WW

WW

H

H



1minus=jm


darr+uarr

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NN

NNP


3131 minus== +

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9

Leitungsband


Valenzband

EL

EF

EV

E

x

Φχ






10

Leitungsband


Valenzband

EL

EF

EV

E

x

Φ

χ



Leitungsband

Valenzband

EL

EF

EV

E

x

Φ

χ

Kristall Vakuum



11



VakuumGaAs

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aktive Zone

Anregung


VBM



am Ort rr



)()(

)()( 2 trcD

trctrg

t

trc rr

rr

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partτ

Der erste Term

gt

leminusminusminus=

minus

aktiveZonez

aktiveZonezzRItrg

tt

0

)exp())(exp()1()(

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r






q

kTD

micro=



12



221 Strained Layer





13

32p

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20-50 meV

(b)+12-12

-12 +12

+32-32

-12 +12

p12

12s

s-

Leitungsband

Valenzband

Deformation

uniaxiale

(a)

aa

a

b

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EStrain

EGap



222 Superlattice


AlGaAs

GaAs

AlGaAs AlGaAs

GaAs GaAs GaAs

E

E

z

effektiv

Gap

dEV

EL

EV




14


VeffektivGap






15







)(rSJVAH BAPBAP

rrrδsdot=



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1hN

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cm2


16

24 Mottpolarimetrie





)()(

2

122

SLdr

rdV

cmBV

e

LS



LSCeff VVV +=

ss

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Rechtsstreuung

l l

Linksstreuung V

r r





d

d

d

dMott

σσ





17

RL

RL

NN

NNA

+

minus=


( )Θ=perp

S

AP



-065

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-045

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-025

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-005 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180


An

aly

sie

rstauml

rke

01 MeV

04 MeV

10 MeV

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35 MeV

50 MeV




18






19



Auto-korrelator

Phasen-detektor


Abschwaumlcher

MIRA 900

ShutterBlende

Wand

Linse

Pockelszelle

Teleskop

zur Kathode

Vakuumfenster






20





331 Spindreher



21


332 Mottdetektor


e

P

R

θ

θL

Goldfolie




22




333 Faraday-Cup




23


334 Deflektorsystem



lock

Klystron

Faradaycup

Mottdetektor

Deflektor

Photokathode

Laserstrahl

Blende

Spektrometere--Puls

HF Sender

245 GHz

Mira 900 Laser

7654 MHz

schieberPhasen-


PhotodiodeSynchro-

-32

E

B

TM110




24



25







26





Folien-Nummer



Dicke [nm]

1 114 mm 21 11

2 94 mm 44 23

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27


0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Ra

te [

Hz]




28





29



0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Rate

[H

z]





30




31





32




421 Phasenkontrolle



33

MIRA 900

32



MIRASteuereinheit

Foto-dioden

Deflektor

Mischer

Strahlteiler


zur Quelle

Handphasen-schieber





34

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 200 400 600 800 1000

Phase [deg]

Sig

na

l [m

V]



)())(cos( 21)(212

tUUtUUUt


=





35





36




0 2 4 6 8 10

260

261

262

263

264

265

266

Asy

mm

etrie

[]

I [nA]



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sdot=

sdot+=

Ik

Ik

W

WWR

11)(exp



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smicroτ 812=


ττ

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exp

exp

exp1

)(R

RRW




38

05 10 15 20 25 300

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800

1000

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Rat

e [H

z]

Theshold [V]





Valley

Peak


39


05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Rat

e [H

z]




05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]




40



41









42







43

760 780 800 820 840 8604

6

8

10

12

14

16

18

20

22

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01

1

10 Asymmetrie

Asy

mm

etrie

[]

Wellenlaumlnge [nm]

Quantenausbeute

Qua

nten

ausb

eute

[microA

mW

]





44




18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

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Asym

metr

ie [

]




45





46






τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

08

10

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

00

02

04

06

08

10

Asy

mm

etrie

max

(Asy

m)

PhaseGrad



Rat

em

ax(R

ate)






48


v







49



50






51




















52
















Rev 103 p1601 1956

53






54

Danksagung



9

Leitungsband


Valenzband

EL

EF

EV

E

x

Φχ






10

Leitungsband


Valenzband

EL

EF

EV

E

x

Φ

χ



Leitungsband

Valenzband

EL

EF

EV

E

x

Φ

χ

Kristall Vakuum



11



VakuumGaAs

hν

aktive Zone

Anregung


VBM



am Ort rr



)()(

)()( 2 trcD

trctrg

t

trc rr

rr

nabla+minus=part

partτ

Der erste Term

gt

leminusminusminus=

minus

aktiveZonez

aktiveZonezzRItrg

tt

0

)exp())(exp()1()(

20 0

0 αα τr



r






q

kTD

micro=



12



221 Strained Layer





13

32p

s+

20-50 meV

(b)+12-12

-12 +12

+32-32

-12 +12

p12

12s

s-

Leitungsband

Valenzband

Deformation

uniaxiale

(a)

aa

a

b

arsquoarsquo

EStrain

EGap



222 Superlattice


AlGaAs

GaAs

AlGaAs AlGaAs

GaAs GaAs GaAs

E

E

z

effektiv

Gap

dEV

EL

EV




14


VeffektivGap






15







)(rSJVAH BAPBAP

rrrδsdot=



νσε 1

1 )(

1hN

T=


cm2


16

24 Mottpolarimetrie





)()(

2

122

SLdr

rdV

cmBV

e

LS



LSCeff VVV +=

ss

s s

Rechtsstreuung

l l

Linksstreuung V

r r





d

d

d

dMott

σσ





17

RL

RL

NN

NNA

+

minus=


( )Θ=perp

S

AP



-065

-055

-045

-035

-025

-015

-005 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180


An

aly

sie

rstauml

rke

01 MeV

04 MeV

10 MeV

20 MeV

35 MeV

50 MeV




18






19



Auto-korrelator

Phasen-detektor


Abschwaumlcher

MIRA 900

ShutterBlende

Wand

Linse

Pockelszelle

Teleskop

zur Kathode

Vakuumfenster






20





331 Spindreher



21


332 Mottdetektor


e

P

R

θ

θL

Goldfolie




22




333 Faraday-Cup




23


334 Deflektorsystem



lock

Klystron

Faradaycup

Mottdetektor

Deflektor

Photokathode

Laserstrahl

Blende

Spektrometere--Puls

HF Sender

245 GHz

Mira 900 Laser

7654 MHz

schieberPhasen-


PhotodiodeSynchro-

-32

E

B

TM110




24



25







26





Folien-Nummer



Dicke [nm]

1 114 mm 21 11

2 94 mm 44 23

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27


0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Ra

te [

Hz]




28





29



0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Rate

[H

z]





30




31





32




421 Phasenkontrolle



33

MIRA 900

32



MIRASteuereinheit

Foto-dioden

Deflektor

Mischer

Strahlteiler


zur Quelle

Handphasen-schieber





34

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 200 400 600 800 1000

Phase [deg]

Sig

na

l [m

V]



)())(cos( 21)(212

tUUtUUUt


=





35





36




0 2 4 6 8 10

260

261

262

263

264

265

266

Asy

mm

etrie

[]

I [nA]



ττ sdotsdot+

sdot=

sdot+=

Ik

Ik

W

WWR

11)(exp



37



smicroτ 812=


ττ

sdotminus=

exp

exp

exp1

)(R

RRW




38

05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]

Theshold [V]





Valley

Peak


39


05 10 15 20 25 300

200

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1200

1400

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Rat

e [H

z]




05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]




40



41









42







43

760 780 800 820 840 8604

6

8

10

12

14

16

18

20

22

1E-3

001

01

1

10 Asymmetrie

Asy

mm

etrie

[]

Wellenlaumlnge [nm]

Quantenausbeute

Qua

nten

ausb

eute

[microA

mW

]





44




18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

-2 0 2 4 6 8 10 12


Asym

metr

ie [

]




45





46






τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

08

10

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

00

02

04

06

08

10

Asy

mm

etrie

max

(Asy

m)

PhaseGrad



Rat

em

ax(R

ate)






48


v







49



50






51




















52
















Rev 103 p1601 1956

53






54

Danksagung



10

Leitungsband


Valenzband

EL

EF

EV

E

x

Φ

χ



Leitungsband

Valenzband

EL

EF

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E

x

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χ

Kristall Vakuum



11



VakuumGaAs

hν

aktive Zone

Anregung


VBM



am Ort rr



)()(

)()( 2 trcD

trctrg

t

trc rr

rr

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partτ

Der erste Term

gt

leminusminusminus=

minus

aktiveZonez

aktiveZonezzRItrg

tt

0

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20 0

0 αα τr



r






q

kTD

micro=



12



221 Strained Layer





13

32p

s+

20-50 meV

(b)+12-12

-12 +12

+32-32

-12 +12

p12

12s

s-

Leitungsband

Valenzband

Deformation

uniaxiale

(a)

aa

a

b

arsquoarsquo

EStrain

EGap



222 Superlattice


AlGaAs

GaAs

AlGaAs AlGaAs

GaAs GaAs GaAs

E

E

z

effektiv

Gap

dEV

EL

EV




14


VeffektivGap






15







)(rSJVAH BAPBAP

rrrδsdot=



νσε 1

1 )(

1hN

T=


cm2


16

24 Mottpolarimetrie





)()(

2

122

SLdr

rdV

cmBV

e

LS



LSCeff VVV +=

ss

s s

Rechtsstreuung

l l

Linksstreuung V

r r





d

d

d

dMott

σσ





17

RL

RL

NN

NNA

+

minus=


( )Θ=perp

S

AP



-065

-055

-045

-035

-025

-015

-005 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180


An

aly

sie

rstauml

rke

01 MeV

04 MeV

10 MeV

20 MeV

35 MeV

50 MeV




18






19



Auto-korrelator

Phasen-detektor


Abschwaumlcher

MIRA 900

ShutterBlende

Wand

Linse

Pockelszelle

Teleskop

zur Kathode

Vakuumfenster






20





331 Spindreher



21


332 Mottdetektor


e

P

R

θ

θL

Goldfolie




22




333 Faraday-Cup




23


334 Deflektorsystem



lock

Klystron

Faradaycup

Mottdetektor

Deflektor

Photokathode

Laserstrahl

Blende

Spektrometere--Puls

HF Sender

245 GHz

Mira 900 Laser

7654 MHz

schieberPhasen-


PhotodiodeSynchro-

-32

E

B

TM110




24



25







26





Folien-Nummer



Dicke [nm]

1 114 mm 21 11

2 94 mm 44 23

3 74 mm 75 39

4 54 mm 165 85



27


0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Ra

te [

Hz]




28





29



0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Rate

[H

z]





30




31





32




421 Phasenkontrolle



33

MIRA 900

32



MIRASteuereinheit

Foto-dioden

Deflektor

Mischer

Strahlteiler


zur Quelle

Handphasen-schieber





34

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 200 400 600 800 1000

Phase [deg]

Sig

na

l [m

V]



)())(cos( 21)(212

tUUtUUUt


=





35





36




0 2 4 6 8 10

260

261

262

263

264

265

266

Asy

mm

etrie

[]

I [nA]



ττ sdotsdot+

sdot=

sdot+=

Ik

Ik

W

WWR

11)(exp



37



smicroτ 812=


ττ

sdotminus=

exp

exp

exp1

)(R

RRW




38

05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]

Theshold [V]





Valley

Peak


39


05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Rat

e [H

z]




05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]




40



41









42







43

760 780 800 820 840 8604

6

8

10

12

14

16

18

20

22

1E-3

001

01

1

10 Asymmetrie

Asy

mm

etrie

[]

Wellenlaumlnge [nm]

Quantenausbeute

Qua

nten

ausb

eute

[microA

mW

]





44




18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

-2 0 2 4 6 8 10 12


Asym

metr

ie [

]




45





46






τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

08

10

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

00

02

04

06

08

10

Asy

mm

etrie

max

(Asy

m)

PhaseGrad



Rat

em

ax(R

ate)






48


v







49



50






51




















52
















Rev 103 p1601 1956

53






54

Danksagung



11



VakuumGaAs

hν

aktive Zone

Anregung


VBM



am Ort rr



)()(

)()( 2 trcD

trctrg

t

trc rr

rr

nabla+minus=part

partτ

Der erste Term

gt

leminusminusminus=

minus

aktiveZonez

aktiveZonezzRItrg

tt

0

)exp())(exp()1()(

20 0

0 αα τr



r






q

kTD

micro=



12



221 Strained Layer





13

32p

s+

20-50 meV

(b)+12-12

-12 +12

+32-32

-12 +12

p12

12s

s-

Leitungsband

Valenzband

Deformation

uniaxiale

(a)

aa

a

b

arsquoarsquo

EStrain

EGap



222 Superlattice


AlGaAs

GaAs

AlGaAs AlGaAs

GaAs GaAs GaAs

E

E

z

effektiv

Gap

dEV

EL

EV




14


VeffektivGap






15







)(rSJVAH BAPBAP

rrrδsdot=



νσε 1

1 )(

1hN

T=


cm2


16

24 Mottpolarimetrie





)()(

2

122

SLdr

rdV

cmBV

e

LS



LSCeff VVV +=

ss

s s

Rechtsstreuung

l l

Linksstreuung V

r r





d

d

d

dMott

σσ





17

RL

RL

NN

NNA

+

minus=


( )Θ=perp

S

AP



-065

-055

-045

-035

-025

-015

-005 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180


An

aly

sie

rstauml

rke

01 MeV

04 MeV

10 MeV

20 MeV

35 MeV

50 MeV




18






19



Auto-korrelator

Phasen-detektor


Abschwaumlcher

MIRA 900

ShutterBlende

Wand

Linse

Pockelszelle

Teleskop

zur Kathode

Vakuumfenster






20





331 Spindreher



21


332 Mottdetektor


e

P

R

θ

θL

Goldfolie




22




333 Faraday-Cup




23


334 Deflektorsystem



lock

Klystron

Faradaycup

Mottdetektor

Deflektor

Photokathode

Laserstrahl

Blende

Spektrometere--Puls

HF Sender

245 GHz

Mira 900 Laser

7654 MHz

schieberPhasen-


PhotodiodeSynchro-

-32

E

B

TM110




24



25







26





Folien-Nummer



Dicke [nm]

1 114 mm 21 11

2 94 mm 44 23

3 74 mm 75 39

4 54 mm 165 85



27


0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Ra

te [

Hz]




28





29



0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Rate

[H

z]





30




31





32




421 Phasenkontrolle



33

MIRA 900

32



MIRASteuereinheit

Foto-dioden

Deflektor

Mischer

Strahlteiler


zur Quelle

Handphasen-schieber





34

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 200 400 600 800 1000

Phase [deg]

Sig

na

l [m

V]



)())(cos( 21)(212

tUUtUUUt


=





35





36




0 2 4 6 8 10

260

261

262

263

264

265

266

Asy

mm

etrie

[]

I [nA]



ττ sdotsdot+

sdot=

sdot+=

Ik

Ik

W

WWR

11)(exp



37



smicroτ 812=


ττ

sdotminus=

exp

exp

exp1

)(R

RRW




38

05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]

Theshold [V]





Valley

Peak


39


05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Rat

e [H

z]




05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]




40



41









42







43

760 780 800 820 840 8604

6

8

10

12

14

16

18

20

22

1E-3

001

01

1

10 Asymmetrie

Asy

mm

etrie

[]

Wellenlaumlnge [nm]

Quantenausbeute

Qua

nten

ausb

eute

[microA

mW

]





44




18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

-2 0 2 4 6 8 10 12


Asym

metr

ie [

]




45





46






τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

08

10

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

00

02

04

06

08

10

Asy

mm

etrie

max

(Asy

m)

PhaseGrad



Rat

em

ax(R

ate)






48


v







49



50






51




















52
















Rev 103 p1601 1956

53






54

Danksagung



12



221 Strained Layer





13

32p

s+

20-50 meV

(b)+12-12

-12 +12

+32-32

-12 +12

p12

12s

s-

Leitungsband

Valenzband

Deformation

uniaxiale

(a)

aa

a

b

arsquoarsquo

EStrain

EGap



222 Superlattice


AlGaAs

GaAs

AlGaAs AlGaAs

GaAs GaAs GaAs

E

E

z

effektiv

Gap

dEV

EL

EV




14


VeffektivGap






15







)(rSJVAH BAPBAP

rrrδsdot=



νσε 1

1 )(

1hN

T=


cm2


16

24 Mottpolarimetrie





)()(

2

122

SLdr

rdV

cmBV

e

LS



LSCeff VVV +=

ss

s s

Rechtsstreuung

l l

Linksstreuung V

r r





d

d

d

dMott

σσ





17

RL

RL

NN

NNA

+

minus=


( )Θ=perp

S

AP



-065

-055

-045

-035

-025

-015

-005 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180


An

aly

sie

rstauml

rke

01 MeV

04 MeV

10 MeV

20 MeV

35 MeV

50 MeV




18






19



Auto-korrelator

Phasen-detektor


Abschwaumlcher

MIRA 900

ShutterBlende

Wand

Linse

Pockelszelle

Teleskop

zur Kathode

Vakuumfenster






20





331 Spindreher



21


332 Mottdetektor


e

P

R

θ

θL

Goldfolie




22




333 Faraday-Cup




23


334 Deflektorsystem



lock

Klystron

Faradaycup

Mottdetektor

Deflektor

Photokathode

Laserstrahl

Blende

Spektrometere--Puls

HF Sender

245 GHz

Mira 900 Laser

7654 MHz

schieberPhasen-


PhotodiodeSynchro-

-32

E

B

TM110




24



25







26





Folien-Nummer



Dicke [nm]

1 114 mm 21 11

2 94 mm 44 23

3 74 mm 75 39

4 54 mm 165 85



27


0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Ra

te [

Hz]




28





29



0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Rate

[H

z]





30




31





32




421 Phasenkontrolle



33

MIRA 900

32



MIRASteuereinheit

Foto-dioden

Deflektor

Mischer

Strahlteiler


zur Quelle

Handphasen-schieber





34

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 200 400 600 800 1000

Phase [deg]

Sig

na

l [m

V]



)())(cos( 21)(212

tUUtUUUt


=





35





36




0 2 4 6 8 10

260

261

262

263

264

265

266

Asy

mm

etrie

[]

I [nA]



ττ sdotsdot+

sdot=

sdot+=

Ik

Ik

W

WWR

11)(exp



37



smicroτ 812=


ττ

sdotminus=

exp

exp

exp1

)(R

RRW




38

05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]

Theshold [V]





Valley

Peak


39


05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Rat

e [H

z]




05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]




40



41









42







43

760 780 800 820 840 8604

6

8

10

12

14

16

18

20

22

1E-3

001

01

1

10 Asymmetrie

Asy

mm

etrie

[]

Wellenlaumlnge [nm]

Quantenausbeute

Qua

nten

ausb

eute

[microA

mW

]





44




18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

-2 0 2 4 6 8 10 12


Asym

metr

ie [

]




45





46






τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

08

10

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

00

02

04

06

08

10

Asy

mm

etrie

max

(Asy

m)

PhaseGrad



Rat

em

ax(R

ate)






48


v







49



50






51




















52
















Rev 103 p1601 1956

53






54

Danksagung



13

32p

s+

20-50 meV

(b)+12-12

-12 +12

+32-32

-12 +12

p12

12s

s-

Leitungsband

Valenzband

Deformation

uniaxiale

(a)

aa

a

b

arsquoarsquo

EStrain

EGap



222 Superlattice


AlGaAs

GaAs

AlGaAs AlGaAs

GaAs GaAs GaAs

E

E

z

effektiv

Gap

dEV

EL

EV




14


VeffektivGap






15







)(rSJVAH BAPBAP

rrrδsdot=



νσε 1

1 )(

1hN

T=


cm2


16

24 Mottpolarimetrie





)()(

2

122

SLdr

rdV

cmBV

e

LS



LSCeff VVV +=

ss

s s

Rechtsstreuung

l l

Linksstreuung V

r r





d

d

d

dMott

σσ





17

RL

RL

NN

NNA

+

minus=


( )Θ=perp

S

AP



-065

-055

-045

-035

-025

-015

-005 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180


An

aly

sie

rstauml

rke

01 MeV

04 MeV

10 MeV

20 MeV

35 MeV

50 MeV




18






19



Auto-korrelator

Phasen-detektor


Abschwaumlcher

MIRA 900

ShutterBlende

Wand

Linse

Pockelszelle

Teleskop

zur Kathode

Vakuumfenster






20





331 Spindreher



21


332 Mottdetektor


e

P

R

θ

θL

Goldfolie




22




333 Faraday-Cup




23


334 Deflektorsystem



lock

Klystron

Faradaycup

Mottdetektor

Deflektor

Photokathode

Laserstrahl

Blende

Spektrometere--Puls

HF Sender

245 GHz

Mira 900 Laser

7654 MHz

schieberPhasen-


PhotodiodeSynchro-

-32

E

B

TM110




24



25







26





Folien-Nummer



Dicke [nm]

1 114 mm 21 11

2 94 mm 44 23

3 74 mm 75 39

4 54 mm 165 85



27


0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Ra

te [

Hz]




28





29



0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Rate

[H

z]





30




31





32




421 Phasenkontrolle



33

MIRA 900

32



MIRASteuereinheit

Foto-dioden

Deflektor

Mischer

Strahlteiler


zur Quelle

Handphasen-schieber





34

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 200 400 600 800 1000

Phase [deg]

Sig

na

l [m

V]



)())(cos( 21)(212

tUUtUUUt


=





35





36




0 2 4 6 8 10

260

261

262

263

264

265

266

Asy

mm

etrie

[]

I [nA]



ττ sdotsdot+

sdot=

sdot+=

Ik

Ik

W

WWR

11)(exp



37



smicroτ 812=


ττ

sdotminus=

exp

exp

exp1

)(R

RRW




38

05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]

Theshold [V]





Valley

Peak


39


05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Rat

e [H

z]




05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]




40



41









42







43

760 780 800 820 840 8604

6

8

10

12

14

16

18

20

22

1E-3

001

01

1

10 Asymmetrie

Asy

mm

etrie

[]

Wellenlaumlnge [nm]

Quantenausbeute

Qua

nten

ausb

eute

[microA

mW

]





44




18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

-2 0 2 4 6 8 10 12


Asym

metr

ie [

]




45





46






τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

08

10

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

00

02

04

06

08

10

Asy

mm

etrie

max

(Asy

m)

PhaseGrad



Rat

em

ax(R

ate)






48


v







49



50






51




















52
















Rev 103 p1601 1956

53






54

Danksagung



14


VeffektivGap






15







)(rSJVAH BAPBAP

rrrδsdot=



νσε 1

1 )(

1hN

T=


cm2


16

24 Mottpolarimetrie





)()(

2

122

SLdr

rdV

cmBV

e

LS



LSCeff VVV +=

ss

s s

Rechtsstreuung

l l

Linksstreuung V

r r





d

d

d

dMott

σσ





17

RL

RL

NN

NNA

+

minus=


( )Θ=perp

S

AP



-065

-055

-045

-035

-025

-015

-005 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180


An

aly

sie

rstauml

rke

01 MeV

04 MeV

10 MeV

20 MeV

35 MeV

50 MeV




18






19



Auto-korrelator

Phasen-detektor


Abschwaumlcher

MIRA 900

ShutterBlende

Wand

Linse

Pockelszelle

Teleskop

zur Kathode

Vakuumfenster






20





331 Spindreher



21


332 Mottdetektor


e

P

R

θ

θL

Goldfolie




22




333 Faraday-Cup




23


334 Deflektorsystem



lock

Klystron

Faradaycup

Mottdetektor

Deflektor

Photokathode

Laserstrahl

Blende

Spektrometere--Puls

HF Sender

245 GHz

Mira 900 Laser

7654 MHz

schieberPhasen-


PhotodiodeSynchro-

-32

E

B

TM110




24



25







26





Folien-Nummer



Dicke [nm]

1 114 mm 21 11

2 94 mm 44 23

3 74 mm 75 39

4 54 mm 165 85



27


0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Ra

te [

Hz]




28





29



0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Rate

[H

z]





30




31





32




421 Phasenkontrolle



33

MIRA 900

32



MIRASteuereinheit

Foto-dioden

Deflektor

Mischer

Strahlteiler


zur Quelle

Handphasen-schieber





34

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 200 400 600 800 1000

Phase [deg]

Sig

na

l [m

V]



)())(cos( 21)(212

tUUtUUUt


=





35





36




0 2 4 6 8 10

260

261

262

263

264

265

266

Asy

mm

etrie

[]

I [nA]



ττ sdotsdot+

sdot=

sdot+=

Ik

Ik

W

WWR

11)(exp



37



smicroτ 812=


ττ

sdotminus=

exp

exp

exp1

)(R

RRW




38

05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]

Theshold [V]





Valley

Peak


39


05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Rat

e [H

z]




05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]




40



41









42







43

760 780 800 820 840 8604

6

8

10

12

14

16

18

20

22

1E-3

001

01

1

10 Asymmetrie

Asy

mm

etrie

[]

Wellenlaumlnge [nm]

Quantenausbeute

Qua

nten

ausb

eute

[microA

mW

]





44




18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

-2 0 2 4 6 8 10 12


Asym

metr

ie [

]




45





46






τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

08

10

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00

02

04

06

08

10

Asy

mm

etrie

max

(Asy

m)

PhaseGrad



Rat

em

ax(R

ate)






48


v







49



50






51




















52
















Rev 103 p1601 1956

53






54

Danksagung



15







)(rSJVAH BAPBAP

rrrδsdot=



νσε 1

1 )(

1hN

T=


cm2


16

24 Mottpolarimetrie





)()(

2

122

SLdr

rdV

cmBV

e

LS



LSCeff VVV +=

ss

s s

Rechtsstreuung

l l

Linksstreuung V

r r





d

d

d

dMott

σσ





17

RL

RL

NN

NNA

+

minus=


( )Θ=perp

S

AP



-065

-055

-045

-035

-025

-015

-005 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180


An

aly

sie

rstauml

rke

01 MeV

04 MeV

10 MeV

20 MeV

35 MeV

50 MeV




18






19



Auto-korrelator

Phasen-detektor


Abschwaumlcher

MIRA 900

ShutterBlende

Wand

Linse

Pockelszelle

Teleskop

zur Kathode

Vakuumfenster






20





331 Spindreher



21


332 Mottdetektor


e

P

R

θ

θL

Goldfolie




22




333 Faraday-Cup




23


334 Deflektorsystem



lock

Klystron

Faradaycup

Mottdetektor

Deflektor

Photokathode

Laserstrahl

Blende

Spektrometere--Puls

HF Sender

245 GHz

Mira 900 Laser

7654 MHz

schieberPhasen-


PhotodiodeSynchro-

-32

E

B

TM110




24



25







26





Folien-Nummer



Dicke [nm]

1 114 mm 21 11

2 94 mm 44 23

3 74 mm 75 39

4 54 mm 165 85



27


0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Ra

te [

Hz]




28





29



0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Rate

[H

z]





30




31





32




421 Phasenkontrolle



33

MIRA 900

32



MIRASteuereinheit

Foto-dioden

Deflektor

Mischer

Strahlteiler


zur Quelle

Handphasen-schieber





34

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 200 400 600 800 1000

Phase [deg]

Sig

na

l [m

V]



)())(cos( 21)(212

tUUtUUUt


=





35





36




0 2 4 6 8 10

260

261

262

263

264

265

266

Asy

mm

etrie

[]

I [nA]



ττ sdotsdot+

sdot=

sdot+=

Ik

Ik

W

WWR

11)(exp



37



smicroτ 812=


ττ

sdotminus=

exp

exp

exp1

)(R

RRW




38

05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]

Theshold [V]





Valley

Peak


39


05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Rat

e [H

z]




05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]




40



41









42







43

760 780 800 820 840 8604

6

8

10

12

14

16

18

20

22

1E-3

001

01

1

10 Asymmetrie

Asy

mm

etrie

[]

Wellenlaumlnge [nm]

Quantenausbeute

Qua

nten

ausb

eute

[microA

mW

]





44




18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

-2 0 2 4 6 8 10 12


Asym

metr

ie [

]




45





46






τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

08

10

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00

02

04

06

08

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Asy

mm

etrie

max

(Asy

m)

PhaseGrad



Rat

em

ax(R

ate)






48


v







49



50






51




















52
















Rev 103 p1601 1956

53






54

Danksagung



16

24 Mottpolarimetrie





)()(

2

122

SLdr

rdV

cmBV

e

LS



LSCeff VVV +=

ss

s s

Rechtsstreuung

l l

Linksstreuung V

r r





d

d

d

dMott

σσ





17

RL

RL

NN

NNA

+

minus=


( )Θ=perp

S

AP



-065

-055

-045

-035

-025

-015

-005 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180


An

aly

sie

rstauml

rke

01 MeV

04 MeV

10 MeV

20 MeV

35 MeV

50 MeV




18






19



Auto-korrelator

Phasen-detektor


Abschwaumlcher

MIRA 900

ShutterBlende

Wand

Linse

Pockelszelle

Teleskop

zur Kathode

Vakuumfenster






20





331 Spindreher



21


332 Mottdetektor


e

P

R

θ

θL

Goldfolie




22




333 Faraday-Cup




23


334 Deflektorsystem



lock

Klystron

Faradaycup

Mottdetektor

Deflektor

Photokathode

Laserstrahl

Blende

Spektrometere--Puls

HF Sender

245 GHz

Mira 900 Laser

7654 MHz

schieberPhasen-


PhotodiodeSynchro-

-32

E

B

TM110




24



25







26





Folien-Nummer



Dicke [nm]

1 114 mm 21 11

2 94 mm 44 23

3 74 mm 75 39

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27


0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Ra

te [

Hz]




28





29



0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Rate

[H

z]





30




31





32




421 Phasenkontrolle



33

MIRA 900

32



MIRASteuereinheit

Foto-dioden

Deflektor

Mischer

Strahlteiler


zur Quelle

Handphasen-schieber





34

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 200 400 600 800 1000

Phase [deg]

Sig

na

l [m

V]



)())(cos( 21)(212

tUUtUUUt


=





35





36




0 2 4 6 8 10

260

261

262

263

264

265

266

Asy

mm

etrie

[]

I [nA]



ττ sdotsdot+

sdot=

sdot+=

Ik

Ik

W

WWR

11)(exp



37



smicroτ 812=


ττ

sdotminus=

exp

exp

exp1

)(R

RRW




38

05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]

Theshold [V]





Valley

Peak


39


05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Rat

e [H

z]




05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]




40



41









42







43

760 780 800 820 840 8604

6

8

10

12

14

16

18

20

22

1E-3

001

01

1

10 Asymmetrie

Asy

mm

etrie

[]

Wellenlaumlnge [nm]

Quantenausbeute

Qua

nten

ausb

eute

[microA

mW

]





44




18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

-2 0 2 4 6 8 10 12


Asym

metr

ie [

]




45





46






τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

08

10

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

00

02

04

06

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10

Asy

mm

etrie

max

(Asy

m)

PhaseGrad



Rat

em

ax(R

ate)






48


v







49



50






51




















52
















Rev 103 p1601 1956

53






54

Danksagung



17

RL

RL

NN

NNA

+

minus=


( )Θ=perp

S

AP



-065

-055

-045

-035

-025

-015

-005 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180


An

aly

sie

rstauml

rke

01 MeV

04 MeV

10 MeV

20 MeV

35 MeV

50 MeV




18






19



Auto-korrelator

Phasen-detektor


Abschwaumlcher

MIRA 900

ShutterBlende

Wand

Linse

Pockelszelle

Teleskop

zur Kathode

Vakuumfenster






20





331 Spindreher



21


332 Mottdetektor


e

P

R

θ

θL

Goldfolie




22




333 Faraday-Cup




23


334 Deflektorsystem



lock

Klystron

Faradaycup

Mottdetektor

Deflektor

Photokathode

Laserstrahl

Blende

Spektrometere--Puls

HF Sender

245 GHz

Mira 900 Laser

7654 MHz

schieberPhasen-


PhotodiodeSynchro-

-32

E

B

TM110




24



25







26





Folien-Nummer



Dicke [nm]

1 114 mm 21 11

2 94 mm 44 23

3 74 mm 75 39

4 54 mm 165 85



27


0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Ra

te [

Hz]




28





29



0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Rate

[H

z]





30




31





32




421 Phasenkontrolle



33

MIRA 900

32



MIRASteuereinheit

Foto-dioden

Deflektor

Mischer

Strahlteiler


zur Quelle

Handphasen-schieber





34

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 200 400 600 800 1000

Phase [deg]

Sig

na

l [m

V]



)())(cos( 21)(212

tUUtUUUt


=





35





36




0 2 4 6 8 10

260

261

262

263

264

265

266

Asy

mm

etrie

[]

I [nA]



ττ sdotsdot+

sdot=

sdot+=

Ik

Ik

W

WWR

11)(exp



37



smicroτ 812=


ττ

sdotminus=

exp

exp

exp1

)(R

RRW




38

05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]

Theshold [V]





Valley

Peak


39


05 10 15 20 25 300

200

400

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1000

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1400

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Rat

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z]




05 10 15 20 25 300

200

400

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1000

1200

Rat

e [H

z]




40



41









42







43

760 780 800 820 840 8604

6

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14

16

18

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22

1E-3

001

01

1

10 Asymmetrie

Asy

mm

etrie

[]

Wellenlaumlnge [nm]

Quantenausbeute

Qua

nten

ausb

eute

[microA

mW

]





44




18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

-2 0 2 4 6 8 10 12


Asym

metr

ie [

]




45





46






τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

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10

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00

02

04

06

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10

Asy

mm

etrie

max

(Asy

m)

PhaseGrad



Rat

em

ax(R

ate)






48


v







49



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51




















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Rev 103 p1601 1956

53






54

Danksagung



18






19



Auto-korrelator

Phasen-detektor


Abschwaumlcher

MIRA 900

ShutterBlende

Wand

Linse

Pockelszelle

Teleskop

zur Kathode

Vakuumfenster






20





331 Spindreher



21


332 Mottdetektor


e

P

R

θ

θL

Goldfolie




22




333 Faraday-Cup




23


334 Deflektorsystem



lock

Klystron

Faradaycup

Mottdetektor

Deflektor

Photokathode

Laserstrahl

Blende

Spektrometere--Puls

HF Sender

245 GHz

Mira 900 Laser

7654 MHz

schieberPhasen-


PhotodiodeSynchro-

-32

E

B

TM110




24



25







26





Folien-Nummer



Dicke [nm]

1 114 mm 21 11

2 94 mm 44 23

3 74 mm 75 39

4 54 mm 165 85



27


0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Ra

te [

Hz]




28





29



0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Rate

[H

z]





30




31





32




421 Phasenkontrolle



33

MIRA 900

32



MIRASteuereinheit

Foto-dioden

Deflektor

Mischer

Strahlteiler


zur Quelle

Handphasen-schieber





34

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 200 400 600 800 1000

Phase [deg]

Sig

na

l [m

V]



)())(cos( 21)(212

tUUtUUUt


=





35





36




0 2 4 6 8 10

260

261

262

263

264

265

266

Asy

mm

etrie

[]

I [nA]



ττ sdotsdot+

sdot=

sdot+=

Ik

Ik

W

WWR

11)(exp



37



smicroτ 812=


ττ

sdotminus=

exp

exp

exp1

)(R

RRW




38

05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]

Theshold [V]





Valley

Peak


39


05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Rat

e [H

z]




05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]




40



41









42







43

760 780 800 820 840 8604

6

8

10

12

14

16

18

20

22

1E-3

001

01

1

10 Asymmetrie

Asy

mm

etrie

[]

Wellenlaumlnge [nm]

Quantenausbeute

Qua

nten

ausb

eute

[microA

mW

]





44




18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

-2 0 2 4 6 8 10 12


Asym

metr

ie [

]




45





46






τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

08

10

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

00

02

04

06

08

10

Asy

mm

etrie

max

(Asy

m)

PhaseGrad



Rat

em

ax(R

ate)






48


v







49



50






51




















52
















Rev 103 p1601 1956

53






54

Danksagung



19



Auto-korrelator

Phasen-detektor


Abschwaumlcher

MIRA 900

ShutterBlende

Wand

Linse

Pockelszelle

Teleskop

zur Kathode

Vakuumfenster






20





331 Spindreher



21


332 Mottdetektor


e

P

R

θ

θL

Goldfolie




22




333 Faraday-Cup




23


334 Deflektorsystem



lock

Klystron

Faradaycup

Mottdetektor

Deflektor

Photokathode

Laserstrahl

Blende

Spektrometere--Puls

HF Sender

245 GHz

Mira 900 Laser

7654 MHz

schieberPhasen-


PhotodiodeSynchro-

-32

E

B

TM110




24



25







26





Folien-Nummer



Dicke [nm]

1 114 mm 21 11

2 94 mm 44 23

3 74 mm 75 39

4 54 mm 165 85



27


0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Ra

te [

Hz]




28





29



0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Rate

[H

z]





30




31





32




421 Phasenkontrolle



33

MIRA 900

32



MIRASteuereinheit

Foto-dioden

Deflektor

Mischer

Strahlteiler


zur Quelle

Handphasen-schieber





34

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 200 400 600 800 1000

Phase [deg]

Sig

na

l [m

V]



)())(cos( 21)(212

tUUtUUUt


=





35





36




0 2 4 6 8 10

260

261

262

263

264

265

266

Asy

mm

etrie

[]

I [nA]



ττ sdotsdot+

sdot=

sdot+=

Ik

Ik

W

WWR

11)(exp



37



smicroτ 812=


ττ

sdotminus=

exp

exp

exp1

)(R

RRW




38

05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]

Theshold [V]





Valley

Peak


39


05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Rat

e [H

z]




05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]




40



41









42







43

760 780 800 820 840 8604

6

8

10

12

14

16

18

20

22

1E-3

001

01

1

10 Asymmetrie

Asy

mm

etrie

[]

Wellenlaumlnge [nm]

Quantenausbeute

Qua

nten

ausb

eute

[microA

mW

]





44




18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

-2 0 2 4 6 8 10 12


Asym

metr

ie [

]




45





46






τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

08

10

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

00

02

04

06

08

10

Asy

mm

etrie

max

(Asy

m)

PhaseGrad



Rat

em

ax(R

ate)






48


v







49



50






51




















52
















Rev 103 p1601 1956

53






54

Danksagung



20





331 Spindreher



21


332 Mottdetektor


e

P

R

θ

θL

Goldfolie




22




333 Faraday-Cup




23


334 Deflektorsystem



lock

Klystron

Faradaycup

Mottdetektor

Deflektor

Photokathode

Laserstrahl

Blende

Spektrometere--Puls

HF Sender

245 GHz

Mira 900 Laser

7654 MHz

schieberPhasen-


PhotodiodeSynchro-

-32

E

B

TM110




24



25







26





Folien-Nummer



Dicke [nm]

1 114 mm 21 11

2 94 mm 44 23

3 74 mm 75 39

4 54 mm 165 85



27


0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Ra

te [

Hz]




28





29



0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Rate

[H

z]





30




31





32




421 Phasenkontrolle



33

MIRA 900

32



MIRASteuereinheit

Foto-dioden

Deflektor

Mischer

Strahlteiler


zur Quelle

Handphasen-schieber





34

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 200 400 600 800 1000

Phase [deg]

Sig

na

l [m

V]



)())(cos( 21)(212

tUUtUUUt


=





35





36




0 2 4 6 8 10

260

261

262

263

264

265

266

Asy

mm

etrie

[]

I [nA]



ττ sdotsdot+

sdot=

sdot+=

Ik

Ik

W

WWR

11)(exp



37



smicroτ 812=


ττ

sdotminus=

exp

exp

exp1

)(R

RRW




38

05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]

Theshold [V]





Valley

Peak


39


05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Rat

e [H

z]




05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

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Rat

e [H

z]




40



41









42







43

760 780 800 820 840 8604

6

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14

16

18

20

22

1E-3

001

01

1

10 Asymmetrie

Asy

mm

etrie

[]

Wellenlaumlnge [nm]

Quantenausbeute

Qua

nten

ausb

eute

[microA

mW

]





44




18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

-2 0 2 4 6 8 10 12


Asym

metr

ie [

]




45





46






τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

08

10

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

00

02

04

06

08

10

Asy

mm

etrie

max

(Asy

m)

PhaseGrad



Rat

em

ax(R

ate)






48


v







49



50






51




















52
















Rev 103 p1601 1956

53






54

Danksagung



21


332 Mottdetektor


e

P

R

θ

θL

Goldfolie




22




333 Faraday-Cup




23


334 Deflektorsystem



lock

Klystron

Faradaycup

Mottdetektor

Deflektor

Photokathode

Laserstrahl

Blende

Spektrometere--Puls

HF Sender

245 GHz

Mira 900 Laser

7654 MHz

schieberPhasen-


PhotodiodeSynchro-

-32

E

B

TM110




24



25







26





Folien-Nummer



Dicke [nm]

1 114 mm 21 11

2 94 mm 44 23

3 74 mm 75 39

4 54 mm 165 85



27


0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Ra

te [

Hz]




28





29



0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Rate

[H

z]





30




31





32




421 Phasenkontrolle



33

MIRA 900

32



MIRASteuereinheit

Foto-dioden

Deflektor

Mischer

Strahlteiler


zur Quelle

Handphasen-schieber





34

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 200 400 600 800 1000

Phase [deg]

Sig

na

l [m

V]



)())(cos( 21)(212

tUUtUUUt


=





35





36




0 2 4 6 8 10

260

261

262

263

264

265

266

Asy

mm

etrie

[]

I [nA]



ττ sdotsdot+

sdot=

sdot+=

Ik

Ik

W

WWR

11)(exp



37



smicroτ 812=


ττ

sdotminus=

exp

exp

exp1

)(R

RRW




38

05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]

Theshold [V]





Valley

Peak


39


05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Rat

e [H

z]




05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]




40



41









42







43

760 780 800 820 840 8604

6

8

10

12

14

16

18

20

22

1E-3

001

01

1

10 Asymmetrie

Asy

mm

etrie

[]

Wellenlaumlnge [nm]

Quantenausbeute

Qua

nten

ausb

eute

[microA

mW

]





44




18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

-2 0 2 4 6 8 10 12


Asym

metr

ie [

]




45





46






τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

08

10

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

00

02

04

06

08

10

Asy

mm

etrie

max

(Asy

m)

PhaseGrad



Rat

em

ax(R

ate)






48


v







49



50






51




















52
















Rev 103 p1601 1956

53






54

Danksagung



22




333 Faraday-Cup




23


334 Deflektorsystem



lock

Klystron

Faradaycup

Mottdetektor

Deflektor

Photokathode

Laserstrahl

Blende

Spektrometere--Puls

HF Sender

245 GHz

Mira 900 Laser

7654 MHz

schieberPhasen-


PhotodiodeSynchro-

-32

E

B

TM110




24



25







26





Folien-Nummer



Dicke [nm]

1 114 mm 21 11

2 94 mm 44 23

3 74 mm 75 39

4 54 mm 165 85



27


0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Ra

te [

Hz]




28





29



0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Rate

[H

z]





30




31





32




421 Phasenkontrolle



33

MIRA 900

32



MIRASteuereinheit

Foto-dioden

Deflektor

Mischer

Strahlteiler


zur Quelle

Handphasen-schieber





34

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 200 400 600 800 1000

Phase [deg]

Sig

na

l [m

V]



)())(cos( 21)(212

tUUtUUUt


=





35





36




0 2 4 6 8 10

260

261

262

263

264

265

266

Asy

mm

etrie

[]

I [nA]



ττ sdotsdot+

sdot=

sdot+=

Ik

Ik

W

WWR

11)(exp



37



smicroτ 812=


ττ

sdotminus=

exp

exp

exp1

)(R

RRW




38

05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]

Theshold [V]





Valley

Peak


39


05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Rat

e [H

z]




05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]




40



41









42







43

760 780 800 820 840 8604

6

8

10

12

14

16

18

20

22

1E-3

001

01

1

10 Asymmetrie

Asy

mm

etrie

[]

Wellenlaumlnge [nm]

Quantenausbeute

Qua

nten

ausb

eute

[microA

mW

]





44




18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

-2 0 2 4 6 8 10 12


Asym

metr

ie [

]




45





46






τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

08

10

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

00

02

04

06

08

10

Asy

mm

etrie

max

(Asy

m)

PhaseGrad



Rat

em

ax(R

ate)






48


v







49



50






51




















52
















Rev 103 p1601 1956

53






54

Danksagung



23


334 Deflektorsystem



lock

Klystron

Faradaycup

Mottdetektor

Deflektor

Photokathode

Laserstrahl

Blende

Spektrometere--Puls

HF Sender

245 GHz

Mira 900 Laser

7654 MHz

schieberPhasen-


PhotodiodeSynchro-

-32

E

B

TM110




24



25







26





Folien-Nummer



Dicke [nm]

1 114 mm 21 11

2 94 mm 44 23

3 74 mm 75 39

4 54 mm 165 85



27


0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Ra

te [

Hz]




28





29



0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Rate

[H

z]





30




31





32




421 Phasenkontrolle



33

MIRA 900

32



MIRASteuereinheit

Foto-dioden

Deflektor

Mischer

Strahlteiler


zur Quelle

Handphasen-schieber





34

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 200 400 600 800 1000

Phase [deg]

Sig

na

l [m

V]



)())(cos( 21)(212

tUUtUUUt


=





35





36




0 2 4 6 8 10

260

261

262

263

264

265

266

Asy

mm

etrie

[]

I [nA]



ττ sdotsdot+

sdot=

sdot+=

Ik

Ik

W

WWR

11)(exp



37



smicroτ 812=


ττ

sdotminus=

exp

exp

exp1

)(R

RRW




38

05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]

Theshold [V]





Valley

Peak


39


05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Rat

e [H

z]




05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]




40



41









42







43

760 780 800 820 840 8604

6

8

10

12

14

16

18

20

22

1E-3

001

01

1

10 Asymmetrie

Asy

mm

etrie

[]

Wellenlaumlnge [nm]

Quantenausbeute

Qua

nten

ausb

eute

[microA

mW

]





44




18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

-2 0 2 4 6 8 10 12


Asym

metr

ie [

]




45





46






τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

08

10

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

00

02

04

06

08

10

Asy

mm

etrie

max

(Asy

m)

PhaseGrad



Rat

em

ax(R

ate)






48


v







49



50






51




















52
















Rev 103 p1601 1956

53






54

Danksagung



24



25







26





Folien-Nummer



Dicke [nm]

1 114 mm 21 11

2 94 mm 44 23

3 74 mm 75 39

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0

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2000

3000

4000

5000

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7000

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Ra

te [

Hz]




28





29



0

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2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Rate

[H

z]





30




31





32




421 Phasenkontrolle



33

MIRA 900

32



MIRASteuereinheit

Foto-dioden

Deflektor

Mischer

Strahlteiler


zur Quelle

Handphasen-schieber





34

-15

-10

-5

0

5

10

15

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Phase [deg]

Sig

na

l [m

V]



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tUUtUUUt


=





35





36




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260

261

262

263

264

265

266

Asy

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[]

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sdot+=

Ik

Ik

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WWR

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exp

exp

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600

800

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Rat

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z]

Theshold [V]





Valley

Peak


39


05 10 15 20 25 300

200

400

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800

1000

1200

1400

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Rat

e [H

z]




05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]




40



41









42







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760 780 800 820 840 8604

6

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22

1E-3

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01

1

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Asy

mm

etrie

[]

Wellenlaumlnge [nm]

Quantenausbeute

Qua

nten

ausb

eute

[microA

mW

]





44




18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

-2 0 2 4 6 8 10 12


Asym

metr

ie [

]




45





46






τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

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06

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Asy

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etrie

max

(Asy

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Rat

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ate)






48


v







49



50






51




















52
















Rev 103 p1601 1956

53






54

Danksagung



25







26





Folien-Nummer



Dicke [nm]

1 114 mm 21 11

2 94 mm 44 23

3 74 mm 75 39

4 54 mm 165 85



27


0

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2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Ra

te [

Hz]




28





29



0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Rate

[H

z]





30




31





32




421 Phasenkontrolle



33

MIRA 900

32



MIRASteuereinheit

Foto-dioden

Deflektor

Mischer

Strahlteiler


zur Quelle

Handphasen-schieber





34

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 200 400 600 800 1000

Phase [deg]

Sig

na

l [m

V]



)())(cos( 21)(212

tUUtUUUt


=





35





36




0 2 4 6 8 10

260

261

262

263

264

265

266

Asy

mm

etrie

[]

I [nA]



ττ sdotsdot+

sdot=

sdot+=

Ik

Ik

W

WWR

11)(exp



37



smicroτ 812=


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exp

exp

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RRW




38

05 10 15 20 25 300

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600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]

Theshold [V]





Valley

Peak


39


05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Rat

e [H

z]




05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]




40



41









42







43

760 780 800 820 840 8604

6

8

10

12

14

16

18

20

22

1E-3

001

01

1

10 Asymmetrie

Asy

mm

etrie

[]

Wellenlaumlnge [nm]

Quantenausbeute

Qua

nten

ausb

eute

[microA

mW

]





44




18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

-2 0 2 4 6 8 10 12


Asym

metr

ie [

]




45





46






τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

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10

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00

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06

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Asy

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PhaseGrad



Rat

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ax(R

ate)






48


v







49



50






51




















52
















Rev 103 p1601 1956

53






54

Danksagung



26





Folien-Nummer



Dicke [nm]

1 114 mm 21 11

2 94 mm 44 23

3 74 mm 75 39

4 54 mm 165 85



27


0

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2000

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4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Ra

te [

Hz]




28





29



0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200


Rate

[H

z]





30




31





32




421 Phasenkontrolle



33

MIRA 900

32



MIRASteuereinheit

Foto-dioden

Deflektor

Mischer

Strahlteiler


zur Quelle

Handphasen-schieber





34

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 200 400 600 800 1000

Phase [deg]

Sig

na

l [m

V]



)())(cos( 21)(212

tUUtUUUt


=





35





36




0 2 4 6 8 10

260

261

262

263

264

265

266

Asy

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[]

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Ik

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WWR

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exp

exp

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38

05 10 15 20 25 300

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1200

Rat

e [H

z]

Theshold [V]





Valley

Peak


39


05 10 15 20 25 300

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1000

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Rat

e [H

z]




05 10 15 20 25 300

200

400

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Rat

e [H

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40



41









42







43

760 780 800 820 840 8604

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12

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16

18

20

22

1E-3

001

01

1

10 Asymmetrie

Asy

mm

etrie

[]

Wellenlaumlnge [nm]

Quantenausbeute

Qua

nten

ausb

eute

[microA

mW

]





44




18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

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-2 0 2 4 6 8 10 12


Asym

metr

ie [

]




45





46






τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

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10

Asy

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(Asy

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PhaseGrad



Rat

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ate)






48


v







49



50






51




















52
















Rev 103 p1601 1956

53






54

Danksagung



27


0

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2000

3000

4000

5000

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te [

Hz]




28





29



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2000

3000

4000

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7000

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Rate

[H

z]





30




31





32




421 Phasenkontrolle



33

MIRA 900

32



MIRASteuereinheit

Foto-dioden

Deflektor

Mischer

Strahlteiler


zur Quelle

Handphasen-schieber





34

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 200 400 600 800 1000

Phase [deg]

Sig

na

l [m

V]



)())(cos( 21)(212

tUUtUUUt


=





35





36




0 2 4 6 8 10

260

261

262

263

264

265

266

Asy

mm

etrie

[]

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ττ sdotsdot+

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sdot+=

Ik

Ik

W

WWR

11)(exp



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smicroτ 812=


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exp

exp

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RRW




38

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Rat

e [H

z]

Theshold [V]





Valley

Peak


39


05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

1400

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Rat

e [H

z]




05 10 15 20 25 300

200

400

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Rat

e [H

z]




40



41









42







43

760 780 800 820 840 8604

6

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22

1E-3

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Asy

mm

etrie

[]

Wellenlaumlnge [nm]

Quantenausbeute

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mW

]





44




18

19

20

21

22

23

24

25

26

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Asym

metr

ie [

]




45





46






τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

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06

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10

Asy

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(Asy

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PhaseGrad



Rat

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ax(R

ate)






48


v







49



50






51




















52
















Rev 103 p1601 1956

53






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Danksagung



28





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0

1000

2000

3000

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Rate

[H

z]





30




31





32




421 Phasenkontrolle



33

MIRA 900

32



MIRASteuereinheit

Foto-dioden

Deflektor

Mischer

Strahlteiler


zur Quelle

Handphasen-schieber





34

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 200 400 600 800 1000

Phase [deg]

Sig

na

l [m

V]



)())(cos( 21)(212

tUUtUUUt


=





35





36




0 2 4 6 8 10

260

261

262

263

264

265

266

Asy

mm

etrie

[]

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ττ sdotsdot+

sdot=

sdot+=

Ik

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W

WWR

11)(exp



37



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ττ

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exp

exp

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)(R

RRW




38

05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]

Theshold [V]





Valley

Peak


39


05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Rat

e [H

z]




05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]




40



41









42







43

760 780 800 820 840 8604

6

8

10

12

14

16

18

20

22

1E-3

001

01

1

10 Asymmetrie

Asy

mm

etrie

[]

Wellenlaumlnge [nm]

Quantenausbeute

Qua

nten

ausb

eute

[microA

mW

]





44




18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

-2 0 2 4 6 8 10 12


Asym

metr

ie [

]




45





46






τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

08

10

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00

02

04

06

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10

Asy

mm

etrie

max

(Asy

m)

PhaseGrad



Rat

em

ax(R

ate)






48


v







49



50






51




















52
















Rev 103 p1601 1956

53






54

Danksagung



29



0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

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Rate

[H

z]





30




31





32




421 Phasenkontrolle



33

MIRA 900

32



MIRASteuereinheit

Foto-dioden

Deflektor

Mischer

Strahlteiler


zur Quelle

Handphasen-schieber





34

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 200 400 600 800 1000

Phase [deg]

Sig

na

l [m

V]



)())(cos( 21)(212

tUUtUUUt


=





35





36




0 2 4 6 8 10

260

261

262

263

264

265

266

Asy

mm

etrie

[]

I [nA]



ττ sdotsdot+

sdot=

sdot+=

Ik

Ik

W

WWR

11)(exp



37



smicroτ 812=


ττ

sdotminus=

exp

exp

exp1

)(R

RRW




38

05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]

Theshold [V]





Valley

Peak


39


05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Rat

e [H

z]




05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]




40



41









42







43

760 780 800 820 840 8604

6

8

10

12

14

16

18

20

22

1E-3

001

01

1

10 Asymmetrie

Asy

mm

etrie

[]

Wellenlaumlnge [nm]

Quantenausbeute

Qua

nten

ausb

eute

[microA

mW

]





44




18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

-2 0 2 4 6 8 10 12


Asym

metr

ie [

]




45





46






τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

08

10

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

00

02

04

06

08

10

Asy

mm

etrie

max

(Asy

m)

PhaseGrad



Rat

em

ax(R

ate)






48


v







49



50






51




















52
















Rev 103 p1601 1956

53






54

Danksagung



30




31





32




421 Phasenkontrolle



33

MIRA 900

32



MIRASteuereinheit

Foto-dioden

Deflektor

Mischer

Strahlteiler


zur Quelle

Handphasen-schieber





34

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 200 400 600 800 1000

Phase [deg]

Sig

na

l [m

V]



)())(cos( 21)(212

tUUtUUUt


=





35





36




0 2 4 6 8 10

260

261

262

263

264

265

266

Asy

mm

etrie

[]

I [nA]



ττ sdotsdot+

sdot=

sdot+=

Ik

Ik

W

WWR

11)(exp



37



smicroτ 812=


ττ

sdotminus=

exp

exp

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)(R

RRW




38

05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]

Theshold [V]





Valley

Peak


39


05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Rat

e [H

z]




05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]




40



41









42







43

760 780 800 820 840 8604

6

8

10

12

14

16

18

20

22

1E-3

001

01

1

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Asy

mm

etrie

[]

Wellenlaumlnge [nm]

Quantenausbeute

Qua

nten

ausb

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[microA

mW

]





44




18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

-2 0 2 4 6 8 10 12


Asym

metr

ie [

]




45





46






τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

08

10

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

00

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06

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10

Asy

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max

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m)

PhaseGrad



Rat

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ate)






48


v







49



50






51




















52
















Rev 103 p1601 1956

53






54

Danksagung



31





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421 Phasenkontrolle



33

MIRA 900

32



MIRASteuereinheit

Foto-dioden

Deflektor

Mischer

Strahlteiler


zur Quelle

Handphasen-schieber





34

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 200 400 600 800 1000

Phase [deg]

Sig

na

l [m

V]



)())(cos( 21)(212

tUUtUUUt


=





35





36




0 2 4 6 8 10

260

261

262

263

264

265

266

Asy

mm

etrie

[]

I [nA]



ττ sdotsdot+

sdot=

sdot+=

Ik

Ik

W

WWR

11)(exp



37



smicroτ 812=


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exp

exp

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RRW




38

05 10 15 20 25 300

200

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800

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1200

Rat

e [H

z]

Theshold [V]





Valley

Peak


39


05 10 15 20 25 300

200

400

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800

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1200

1400

1600

Rat

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05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

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Rat

e [H

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40



41









42







43

760 780 800 820 840 8604

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1E-3

001

01

1

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Asy

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[]

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Qua

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]





44




18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

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Asym

metr

ie [

]




45





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τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

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(Asy

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v







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52
















Rev 103 p1601 1956

53






54

Danksagung



32




421 Phasenkontrolle



33

MIRA 900

32



MIRASteuereinheit

Foto-dioden

Deflektor

Mischer

Strahlteiler


zur Quelle

Handphasen-schieber





34

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 200 400 600 800 1000

Phase [deg]

Sig

na

l [m

V]



)())(cos( 21)(212

tUUtUUUt


=





35





36




0 2 4 6 8 10

260

261

262

263

264

265

266

Asy

mm

etrie

[]

I [nA]



ττ sdotsdot+

sdot=

sdot+=

Ik

Ik

W

WWR

11)(exp



37



smicroτ 812=


ττ

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exp

exp

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RRW




38

05 10 15 20 25 300

200

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Rat

e [H

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Theshold [V]





Valley

Peak


39


05 10 15 20 25 300

200

400

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1400

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Rat

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05 10 15 20 25 300

200

400

600

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Rat

e [H

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40



41









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760 780 800 820 840 8604

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1E-3

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Asy

mm

etrie

[]

Wellenlaumlnge [nm]

Quantenausbeute

Qua

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mW

]





44




18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

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Asym

metr

ie [

]




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τ = 40ps





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-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

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PhaseGrad



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v







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Rev 103 p1601 1956

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Danksagung



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MIRA 900

32



MIRASteuereinheit

Foto-dioden

Deflektor

Mischer

Strahlteiler


zur Quelle

Handphasen-schieber





34

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 200 400 600 800 1000

Phase [deg]

Sig

na

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=





35





36




0 2 4 6 8 10

260

261

262

263

264

265

266

Asy

mm

etrie

[]

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Ik

Ik

W

WWR

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37



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exp

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38

05 10 15 20 25 300

200

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1200

Rat

e [H

z]

Theshold [V]





Valley

Peak


39


05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

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1400

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Rat

e [H

z]




05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]




40



41









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760 780 800 820 840 8604

6

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1E-3

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01

1

10 Asymmetrie

Asy

mm

etrie

[]

Wellenlaumlnge [nm]

Quantenausbeute

Qua

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ausb

eute

[microA

mW

]





44




18

19

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21

22

23

24

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-2 0 2 4 6 8 10 12


Asym

metr

ie [

]




45





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τ = 40ps





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-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

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02

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PhaseGrad



Rat

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Danksagung



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-15

-10

-5

0

5

10

15

0 200 400 600 800 1000

Phase [deg]

Sig

na

l [m

V]



)())(cos( 21)(212

tUUtUUUt


=





35





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0 2 4 6 8 10

260

261

262

263

264

265

266

Asy

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etrie

[]

I [nA]



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Ik

Ik

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WWR

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exp

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Rat

e [H

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Theshold [V]





Valley

Peak


39


05 10 15 20 25 300

200

400

600

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Rat

e [H

z]




05 10 15 20 25 300

200

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Rat

e [H

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metr

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Valley

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05 10 15 20 25 300

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Rat

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Rat

e [H

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Asym

metr

ie [

]




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τ = 40ps





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-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

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Asy

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Rat

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ate)






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v







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Danksagung



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0 2 4 6 8 10

260

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262

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264

265

266

Asy

mm

etrie

[]

I [nA]



ττ sdotsdot+

sdot=

sdot+=

Ik

Ik

W

WWR

11)(exp



37



smicroτ 812=


ττ

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exp

exp

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)(R

RRW




38

05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]

Theshold [V]





Valley

Peak


39


05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

1400

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Rat

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z]




05 10 15 20 25 300

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Rat

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1E-3

001

01

1

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Asy

mm

etrie

[]

Wellenlaumlnge [nm]

Quantenausbeute

Qua

nten

ausb

eute

[microA

mW

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18

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22

23

24

25

26

27

28

-2 0 2 4 6 8 10 12


Asym

metr

ie [

]




45





46






τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

08

10

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

00

02

04

06

08

10

Asy

mm

etrie

max

(Asy

m)

PhaseGrad



Rat

em

ax(R

ate)






48


v







49



50






51




















52
















Rev 103 p1601 1956

53






54

Danksagung



37



smicroτ 812=


ττ

sdotminus=

exp

exp

exp1

)(R

RRW




38

05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]

Theshold [V]





Valley

Peak


39


05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Rat

e [H

z]




05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]




40



41









42







43

760 780 800 820 840 8604

6

8

10

12

14

16

18

20

22

1E-3

001

01

1

10 Asymmetrie

Asy

mm

etrie

[]

Wellenlaumlnge [nm]

Quantenausbeute

Qua

nten

ausb

eute

[microA

mW

]





44




18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

-2 0 2 4 6 8 10 12


Asym

metr

ie [

]




45





46






τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

08

10

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

00

02

04

06

08

10

Asy

mm

etrie

max

(Asy

m)

PhaseGrad



Rat

em

ax(R

ate)






48


v







49



50






51




















52
















Rev 103 p1601 1956

53






54

Danksagung



38

05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]

Theshold [V]





Valley

Peak


39


05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Rat

e [H

z]




05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]




40



41









42







43

760 780 800 820 840 8604

6

8

10

12

14

16

18

20

22

1E-3

001

01

1

10 Asymmetrie

Asy

mm

etrie

[]

Wellenlaumlnge [nm]

Quantenausbeute

Qua

nten

ausb

eute

[microA

mW

]





44




18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

-2 0 2 4 6 8 10 12


Asym

metr

ie [

]




45





46






τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

08

10

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

00

02

04

06

08

10

Asy

mm

etrie

max

(Asy

m)

PhaseGrad



Rat

em

ax(R

ate)






48


v







49



50






51




















52
















Rev 103 p1601 1956

53






54

Danksagung



39


05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Rat

e [H

z]




05 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

1200

Rat

e [H

z]




40



41









42







43

760 780 800 820 840 8604

6

8

10

12

14

16

18

20

22

1E-3

001

01

1

10 Asymmetrie

Asy

mm

etrie

[]

Wellenlaumlnge [nm]

Quantenausbeute

Qua

nten

ausb

eute

[microA

mW

]





44




18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

-2 0 2 4 6 8 10 12


Asym

metr

ie [

]




45





46






τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

08

10

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

00

02

04

06

08

10

Asy

mm

etrie

max

(Asy

m)

PhaseGrad



Rat

em

ax(R

ate)






48


v







49



50






51




















52
















Rev 103 p1601 1956

53






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Danksagung



40



41









42







43

760 780 800 820 840 8604

6

8

10

12

14

16

18

20

22

1E-3

001

01

1

10 Asymmetrie

Asy

mm

etrie

[]

Wellenlaumlnge [nm]

Quantenausbeute

Qua

nten

ausb

eute

[microA

mW

]





44




18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

-2 0 2 4 6 8 10 12


Asym

metr

ie [

]




45





46






τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

08

10

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

00

02

04

06

08

10

Asy

mm

etrie

max

(Asy

m)

PhaseGrad



Rat

em

ax(R

ate)






48


v







49



50






51




















52
















Rev 103 p1601 1956

53






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Danksagung



41









42







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760 780 800 820 840 8604

6

8

10

12

14

16

18

20

22

1E-3

001

01

1

10 Asymmetrie

Asy

mm

etrie

[]

Wellenlaumlnge [nm]

Quantenausbeute

Qua

nten

ausb

eute

[microA

mW

]





44




18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

-2 0 2 4 6 8 10 12


Asym

metr

ie [

]




45





46






τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

08

10

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

00

02

04

06

08

10

Asy

mm

etrie

max

(Asy

m)

PhaseGrad



Rat

em

ax(R

ate)






48


v







49



50






51




















52
















Rev 103 p1601 1956

53






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Danksagung



42







43

760 780 800 820 840 8604

6

8

10

12

14

16

18

20

22

1E-3

001

01

1

10 Asymmetrie

Asy

mm

etrie

[]

Wellenlaumlnge [nm]

Quantenausbeute

Qua

nten

ausb

eute

[microA

mW

]





44




18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

-2 0 2 4 6 8 10 12


Asym

metr

ie [

]




45





46






τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

08

10

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

00

02

04

06

08

10

Asy

mm

etrie

max

(Asy

m)

PhaseGrad



Rat

em

ax(R

ate)






48


v







49



50






51




















52
















Rev 103 p1601 1956

53






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Danksagung



43

760 780 800 820 840 8604

6

8

10

12

14

16

18

20

22

1E-3

001

01

1

10 Asymmetrie

Asy

mm

etrie

[]

Wellenlaumlnge [nm]

Quantenausbeute

Qua

nten

ausb

eute

[microA

mW

]





44




18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

-2 0 2 4 6 8 10 12


Asym

metr

ie [

]




45





46






τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

08

10

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

00

02

04

06

08

10

Asy

mm

etrie

max

(Asy

m)

PhaseGrad



Rat

em

ax(R

ate)






48


v







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50






51




















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Rev 103 p1601 1956

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Danksagung



44




18

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20

21

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24

25

26

27

28

-2 0 2 4 6 8 10 12


Asym

metr

ie [

]




45





46






τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

08

10

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

00

02

04

06

08

10

Asy

mm

etrie

max

(Asy

m)

PhaseGrad



Rat

em

ax(R

ate)






48


v







49



50






51




















52
















Rev 103 p1601 1956

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Danksagung



45





46






τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

08

10

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

00

02

04

06

08

10

Asy

mm

etrie

max

(Asy

m)

PhaseGrad



Rat

em

ax(R

ate)






48


v







49



50






51




















52
















Rev 103 p1601 1956

53






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Danksagung



46






τ = 40ps





47




-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

08

10

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

00

02

04

06

08

10

Asy

mm

etrie

max

(Asy

m)

PhaseGrad



Rat

em

ax(R

ate)






48


v







49



50






51




















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Danksagung



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-10 -5 0 5 10 15 20 25 3004

06

08

10

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

00

02

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06

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Asy

mm

etrie

max

(Asy

m)

PhaseGrad



Rat

em

ax(R

ate)






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v







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Danksagung



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v







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Danksagung


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Danksagung


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Verbesserung der Effizienz eines Mottpolarimeters im ... · hältnis der Übergangswahrscheinlichkeiten hängt nur noch von Clebsch-Gordon- Koeffizienten ab. Für die jeweiligen Polarisationsrichtungen