X-ray lasers are creating unprecedented research opportunities in physics,chemistry and biology. The peak brightness of these lasers exceeds presentsynchrotrons by 1010, the coherence degeneracy parameters exceedsynchrotrons by 109, and the time resolution is 105 times better. In theduration of a single flash, the beam focused to a micron-sized spot has the samepower density as all the sunlight hitting the Earth, focused to a millimetresquare. Ultrafast coherent X-ray diffractive imaging (CXDI) with X-ray lasers exploitsthese unique properties of X-ray lasers to obtain high-resolution structures fornon-crystalline biological (and other) objects. In such an experiment, thesample is quickly vaporised, but not before sufficient scattered light can berecorded. The continuous diffraction pattern can then be phased and thestructure of a more or less undamaged sample recovered% (speed of light vs. speed of a shock wave).This thesis presents results from the first ultrafast X-ray diffractive imagingexperiments with linear accelerator-driven free-electron lasers and fromoptically-driven table-top X-ray lasers. It also explores the possibility ofinvestigating phase transitions in crystals by X-ray lasers. An important problem with ultrafast CXDI of small samples such as single proteinmolecules is that the signal from a single measurement will be small, requiringsignal enhancement by averaging over multiple equivalent samples. We present anumerical investigation of the problems, including the case where samplemolecules are not exactly identical, and propose tentative solutions. A new software package (Hawk) has been developed for data processing and imagereconstruction. Hawk is the first publicly available software package in thisarea, and it is released as an open source software with the aspiration offostering the development of this field.

abstract: The superior brightness and ultra short pulse duration of X-ray free electron laser (XFEL) allows it to outrun radiation damage in coherent diffractive imaging since elastic scattering terminates before photoelectron cascades commences. This “diffract-before-destroy” feature of XFEL opened up new opportunities for biological macromolecule imaging and structure studies by breaking the limit to spatial resolution imposed by the maximum dose that is allowed before radiation damage. However, data collection in serial femto-second crystallography (SFX) using XFEL is affected by a bunch of stochastic factors, which pose great challenges to the data analysis in SFX. These stochastic factors include crystal size, shape, random orientation, X-ray photon flux, position and energy spectrum. Monte-Carlo integration proves effective and successful in extracting the structure factors by merging all diffraction patterns given that the data set is sufficiently large to average out all stochastic factors. However, this approach typically requires hundreds of thousands of patterns collected from experiments. This dissertation explores both experimental and algorithmic methods to eliminate or reduce the effect of stochastic factors in data acquisition and analysis. Coherent convergent X-ray beam diffraction (CCB) is discussed for possibilities of obtaining single-shot angular-integrated rocking curves. It is also shown the interference between Bragg disks helps ab-initio phasing. Two-color diffraction scheme is proposed for time-resolved studies and general data collection strategies are discussed based on error metrics. A new auto-indexing algorithm for sparse patterns is developed and demonstrated for both simulated and experimental data. Statistics show that indexing rate is increased by 3 times for I3C data set collected from beam time LJ69 at Linac coherent light source (LCLS). Finally, dynamical inversion from electron diffraction is explored as an alternative approach for structure determination. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Physics 2016

Röntgen Freie Elektronen Laser ermöglichen es Doppel-K-Schalen Löchern in Molekülen in aufeinanderfolgenden mehrfachen Ionisationsschritten in bedeutender Anzahl zu erzeugen. Die Eigenschaften dieser zweifach ionisierten Zustände ist insbesondere relevant für die Strahlungsschäden bei Beugungsexperimenten mit kohärenter Röntgenstrahlung zur Bildgebung einzelner Moleküle. In dieser Arbeit wird der Auger Zerfall doppelt K-Schalen ionisierter Moleküle mittels quantenchemischer ab-initio Methoden untersucht. Zur Beschreibung des emittierten Auger Elektrons im kontinuierlichen Energiespektrum wird dabei die Ein-Zentrums Methode verwendet, in der die elektronische Wellenfunktion auf einem radialen Gitter beschrieben wird unter Verwendung von sphärischen Harmonischen. Wie anhand desWassermoleküls gezeigt wird, ergeben sich durch die Doppel-K-Loch induzierte Protonendynamik in dem Auger Spektrum ausgeprägte Flanken im höherenergetischen Teil jeder Spektralspitze. Die Lebensdauer von Doppel-K-Schalen Löchern in Molekülen ist deutlich verringert im Vergleich zu einfachen K-Löchern durch die K-Loch induzierten Abschirmeffekte der Valenzelektronen. Dieser Mechanismus wird durch ein einfaches Modell erklärt aus dem eine Beziehung zwischen Zerfallsrate und Valenzelektronenpopulation abgeleitet. Mögliche Konsequenzen dieser Ergebnisse für Röntgenbeugungsexperimente sind: Erstens, auch für Röntgenpulse kürzer als 10fs wird das Beugungsbild durch die K-Loch induzierten Umstrukturierungen der Valenzelektronen beeinflußt. Zweitens, die Gesamt-Ionisationsrate ist erhöht aufgrund der schnelleren Neubesetzung der K-Löcher.

Röntgenlicht-Freie-Elektronen-Laser (XFEL) schaffen neue Möglichkeiten für die molekulare Strukturbestimmung in Einzelmolekülexperimenten. In dieser Arbeit stelle ich zwei alternative bayessche Verfahren vor, das Orientational Bayes und das Structural Bayes Verfahren, die das Extrahieren der Strukturinformationen aus dünn besetzten und verrauschten Streuungsbildern ermöglichen. Im ersten Verfahren wird ein "Seed"-Modell verwendet, um die zugrunde liegende molekulare Orientierung für jedes aufgezeichnete Streuungsbild separat zu bestimmen. Eine verbesserte molekulare Transformation der bestrahlten Moleküle wird durch Ausrichten und Mitteln dieser Bilder im dreidimensionalen reziproken Raum erhalten. Im Structural Bayes Verfahren wird ein Realraum-Strukturmodell optimiert, sodass es am besten zum gesamten Streuungsbildersatz passt. Auf diese Weise wird ermöglicht, zwischen verschiedenen Strukturmodellen zu unterscheiden. Ich habe die Auflösung bei der Abbildung einzelner Moleküle mit unterschiedlichen Massen für verschiedene XFEL Strahlintensitäten abgeschätzt. Die Ergebnisse zeigen, dass die erreichbare strukturelle Auflösung mit der Molekülmasse wie M^{-1/ 6} steigt. Laut dieser Skalierung ist hierbei, im Gegensatz zur traditionellen Röntgenkristallographie, die hochaufgelöste Strukturbestimmung kleiner Einzelmoleküle, im Vergleich zu großen Molekülen, schwieriger. Als Machbarkeitsnachweis des Orientational Bayes Verfahrens wurde beispielhaft die Elektronendichte eines Glutathion-Moleküls aus 20.000 synthetischen Streuungsbildern, mit durchschnittlich 82 aufgezeichneten elastisch gestreuten Photonen und bis zu 50% zusätzlichem Hintergrundrauschen pro Bild, berechnet. Um die Anwendbarkeit des Structural Bayes Verfahrens in einer de novo Strukturbestimmung zu testen, wurde zudem die Struktur des Glutathion-Moleküls in einer Monte Carlo-Verfeinerungs-Simulation gelöst, für die zufällige Aminosäure-Konformationen als Ausgangsmaterial verwendet wurden. Um zusätzlich zu prüfen, ob mehrere Längenskalen umfassende Strukturänderungen in einem komplexen Molekül unter Verwendung des Structural Bayes Verfahrens rückverfolgbar sind, wurden Konformationsänderungen von drei Immunglobulin-Domänen eines Titin-Moleküls sowie der tRNA-Translokationsvorgang im Ribosom untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist sowohl zwischen unterschiedlichen molekularen Konformationen zu unterscheiden als auch kleinere strukturelle Änderungen, die mit der tRNA-Translokation assoziiert sind, zu erkennen. Insgesamt betrachtet deuten die Ergebnisse dieser Arbeit darauf hin, dass sich mithilfe der beiden hier vorgestellten bayesschen Verfahren die Struktur einzelner Moleküle mit atomarer Auflösung von dünn besetzten und verrauschten Röntgenstreuungsbildern aus XFEL-Einzelmolekülexperimenten für ein breites Spektrum von Molekülmassen bestimmen lässt.

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Des sources des rayons XUV (1-100 nm) sont des outils extraordinaires pour sonder la dynamique à l’échelle nanométrique avec une résolution femto- voire attoseconde. La génération d’harmoniques d’ordre élevé (GH) est une des sources majeures dans ce domaine d’application. La GH est un processus dans lequel une impulsion laser infrarouge femtoseconde est convertie, de manière cohérente, en fréquences élevées dans le domaine EUV par interaction hautement non-linéaire dans un atome, une molécule et plus récemment, dans un cristal. La GH possède une excellente cohérence spatiale qui a permis de réaliser des démonstrations impressionnantes en imagerie sans lentille. Pour accroître le potentiel de ces sources, des défis sont à relever : leur brillance et énergie de photon maximum doivent augmenter et les techniques d’imagerie sans lentille doivent être modifiées pour être compatibles avec l’importante largeur spectrale des impulsions attosecondes émise par ces sources. Cette thèse présente une nouvelle approche dans laquelle des figures de diffraction large bande, i.e. potentiellement attosecondes, sont rendues monochromatiques numériquement. Cette méthode est basée uniquement sur la mesure du spectre de la source et la supposition d’un échantillon spatialement non-dispersif. Cette approche a été validée tout d’abord dans le visible, à partir d’un supercontinuum. L’échantillon binaire est reconstruit par recouvrement de phase pour une largeur spectrale de 11 %, là où les algorithmes usuels divergent. Les simulations numériques montrent aussi que la méthode de monochromatisation peut être appliquée au domaine des rayons X, avec comme exemple un masque semi-conducteur utilisé en de lithographie EUV. Bien que la brillance « cohérente » de la source actuelle (qui progresse) reste insuffisante, une application sur l’inspection de masques sur source Compton est proposée. Dans une extension de ces simulations un masque de lithographie étendu est reconstruit par ptychographie, démontrant la versatilité à d’autres techniques d’imagerie sans lentille. Nous avons également entamé une série d’expérience dans le domaine des X-durs sur source synchrotron. Les figures de diffraction après monochromatisation numérique semblent prometteuses mais l’analyse des données demandent des efforts supplémentaires. Une partie importante de cette thèse est dédiée à l’extension des sources harmoniques à des brillances et énergies de photon plus élevées. Ce travail exploratoire permettrait la réalisation d’une source harmonique compacte pompée par un laser OPCPA dans le moyen infrarouge à très fort taux de répétition. Les longueurs d’onde moyen infrarouge (3.1 μm dans ce travail de thèse) sont favorables à l’extension des énergies des photons au keV et aux impulsions attosecondes. Le but est de pouvoir couvrir les seuils d’absorption X et d’améliorer la résolution spatio-temporelle. Cependant, deux facteurs rendent cette démonstration difficile: le nombre de photons par impulsion de la source OPCPA est très limité et la réponse du dipôle harmonique à grande longueur est extrêmement faible. Pour relever ces défis plusieurs configurations expérimentales sont explorées : génération dans un jet de gaz ; génération dans une cellule de gaz ; compression solitonique et la génération d’harmoniques combinées dans une fibre à cristal photonique ; compression solitonique dans une fibre à cristal photonique et génération d’harmoniques dans une cellule de gaz. Les premiers résultats expérimentaux sur la compression solitonique jusqu’à 26 femtosecondes et des harmoniques basses jusqu’à l’ordre sept sont présentésEn résumé, ces résultats représentent une avancée vers l’imagerie nanométrique attoseconde sans lentille basée sur des algorithmes « large bande » innovants et une extension des capacités de nouvelles sources harmoniques ‘table-top’ au keV pompées par laser OPCPA. / Soft X-ray sources based on high harmonic generation are up to now unique tools to probe dynamics in matter on femto- to attosecond timescales. High harmonic generation is a process in which an intense femtosecond laser pulse is frequency upconverted to the UV and soft X-ray region through a highly nonlinear interaction in a gas. Thanks to their excellent spatial coherence, they can be used for lensless imaging, which has already led to impressive results. To use these sources to the fullest of their potential, a number of challenges needs to be met: their brightness and maximum photon energy need to be increased and the lensless imaging techniques need to be modified to cope with the large bandwidth of these sources. For the latter, a novel approach is presented, in which broadband diffraction patterns are rendered monochromatic through a numerical treatment based solely on the spectrum and the assumption of a spatially non-dispersive sample. This approach is validated through a broadband lensless imaging experiment on a supercontinuum source in the visible, in which a binary sample was properly reconstructed through phase retrieval for a source bandwidth of 11 %. Through simulations, the numerical monochromatization method is shown to work for hard X-rays as well, with a simplified semiconductor lithography mask as sample. A potential application of lithography mask inspection on an inverse Compton scattering source is proposed, although the conclusion of the analysis is that the current source lacks brightness for the proposal to be realistic. Simulations with sufficient brightness show that the sample is well reconstructed up to 10 % spectral bandwidth at 8 keV. In an extension of these simulations, an extended lithography mask sample is reconstructed through ptychography, showing that the monochromatization method can be applied in combination with different lensless imaging techniques. Through two synchrotron experiments an experimental validation with hard X-rays was attempted, of which the resulting diffraction patterns after numerical monochromatization look promising. The phase retrieval process and data treatment however require additional efforts.An important part of the thesis is dedicated to the extension of high harmonic sources to higher photon energies and increased brightness. This exploratory work is performed towards the realization of a compact high harmonic source on a high repetition rate mid-IR OPCPA laser system, which sustains higher average power and longer wavelengths compared to ubiquitous Ti:Sapphire laser systems. High repetition rates are desirable for numerous applications involving the study of rare events. The use of mid-IR wavelengths (3.1 μm in this work) promises extension of the generated photon energies to the kilo-electronvolt level, allowing shorter pulses, covering more X-ray absorption edges and improving the attainable spatial resolution for imaging. However, high repetition rates come with low pulse energies, which constrains the generation process. The generation with longer wavelengths is challenging due to the significantly lower dipole response of the gas. To cope with these challenges a number of experimental configurations is explored theoretically and experimentally: free-focusing in a gas-jet; free-focusing in a gas cell; soliton compression and high harmonic generation combined in a photonic crystal fiber; separated soliton compression in a photonic crystal fiber and high harmonic generation in a gas cell. First results on soliton compression down to 26 fs and lower harmonics up to the seventh order are presented.Together, these results represent a step towards ultrafast lensless X-ray imaging on table-top sources and towards an extension of the capabilities of these sources.

Coherent diffractive imaging (CDI) has become a very popular technique over the past two decades. CDI is a "lensless" imaging method which replaces the objective lens of a conventional microscope by a computational image reconstruction procedure. Its increase in popularity came together with the development of X-ray free-electron lasers (XFELs) which produce extremely bright and coherent X-rays. By facilitating these unique properties, CDI enables structure determination of non-crystalline samples at nanometre resolution and has many applications in structural biology, material science and X-ray optics among others. This work focuses on two specific CDI techniques, flash X-ray diffractive imaging (FXI) on biological samples and X-ray ptychography. While the first FXI demonstrations using soft X-rays have been quite promising, they also revealed remaining technical challenges. FXI becomes even more demanding when approaching shorter wavelengths to allow subnanometre resolution imaging. We described one of the first FXI experiments using hard X-rays and characterized the most critical components of such an experiment, namely the properties of X-ray focus, sample delivery and detectors. Based on our findings, we discussed experimental and computational strategies for FXI to overcome its current difficulties and reach its full potential. We deposited the data in the Coherent X-ray Database (CXIDB) and made our data analysis code available in a public repository. We developed algorithms targeted towards the needs of FXI experiments and implemented a software package which enables the analysis of diffraction data in real time. X-ray ptychography has developed into a very useful tool for quantitative imaging of complex materials and has found applications in many areas. However, it involves a computational reconstruction step which can be slow. Therefore, we developed a fast GPU-based ptychographic solver and combined it with a framework for real-time data processing which already starts the ptychographic reconstruction process while data is still being collected. This provides immediate feedback to the user and allows high-throughput ptychographic imaging. Finally, we have used ptychographic imaging as a method to study the wavefront of a focused XFEL beam under typical FXI conditions.  We are convinced that this work on developing strategies and algorithms for FXI and ptychography is a valuable contribution to the development of coherent diffractive imaging.

Die Arbeit beschäftigt sich mit der neuartigen Wechselwirkung von intensiven und ultrakurzen Röntgenlaserpulsen mit atomaren endlichen Systemen, die derzeit durch eine neue Generation von Lichtquellen, sogenannter X-ray free-electron laser (XFEL) zugänglich gemacht wird. Eine der Vorzeigeanwendungen der XFELs ist die zukünftig potentiell mögliche Strukturbestimmung endlicher nicht-periodischer Systeme mit atomarer Auflösung durch Diffraktion. Hierbei stellt sich der durch die hohe notwendige Pulsintensität bedingte Strahlenschaden an dem System als limitierender Faktor heraus, der ein detailliertes Verständnis der durch Photoabsorption induzierten Dynamik voraussetzt, um diese Art der "Mikroskopie" zum Erfolg zu führen. Wir verwenden daher zur Beschreibung der laserinduzierten Dynamik ein mikroskopisches Modell in dem Photoionisation und inner-atomare Zerfallsprozesse durch quantenmechanische Raten behandelt werden und die Dynamik der Ionen und energetischen Elektronen in einer klassischen Molekulardynamik-Simulation erfasst wird. Eine Neuerung gegenüber bisherigen Modellen ist die Berücksichtigung der Ionisation von Atomen durch starke interne Felder in dem hoch-geladenen System. Durch eine Anwendung des Modells auf Neoncluster kann gezeigt werden, dass diese Feldionisation einen wichtigen Beitrag zur laserinduzierten Dynamik darstellt. Sie führt zur ultraschnellen Formation eines Nanoplasmas, welches sich im Kern des geladenen Clusters ansammelt und dort die Ladung der Clusterionen neutralisert. Hierdurch wird eine vorzeitige Coulomb-Explosion des Clusters vermieden. Es wird dargelegt, dass dieser Mechanismus der lokalen Schadensreduzierung durch die Einbettung des Clusters in ein Heliumtröpfchen auf den gesamten Cluster ausgeweitet werden kann, da durch Feldionisation und Migration von Elektronen die vollständige laserbedingte Aufladung des Clusters auf das Heliumtröpfchen transferiert wird. Eine Analyse der resultierenden Diffraktionsmuster bestätigt, dass der reduzierte Strahlenschaden am Cluster den Anwendungsbereich für Diffraktionsexperimente erheblich ausweitet. Kürzlich wurde am SLAC National Accelerator Laboratory der erste XFEL in Betrieb genommen. Eine Modifikation des Modells auf dort bereits erzielbare Wellenlängen wird genutzt um Vorhersagen über das Photoabsorptionsverhalten, aus dem alle weiteren Schäden folgen, an kleinen Neoncluster zu treffen. Hiermit lassen sich bereits jetzt durch den Vergleich zu Experimenten die wichtigen Schadensmechanismen und ihre theoretische Beschreibung testen. Es wird ferner das interessante Relaxationsverhalten des durch massive Photoionisation in XFEL-Strahlung erzeugten Elektronenplasmas untersucht. Diese neuartige Anregung erfolgt auf einer Femtosekunden-Zeitskala und produziert eine hohe Dichte an energetischen Elektronen. Wir beschreiben dieses Plasma durch ein generisches Modell seiner Vielteilchen-Dynamik. Hierbei kann der gesamte Parameterraum des Modells in vier Klassen unterteilt werden, die sich nach Anregungsgrad, der den Elektronenverlust des Plasmas regelt, und Anregungsdauer, die die transiente Dynamik beeinflusst, unterscheiden. Speziell der Bereich starker Anregung bei gleichzeitig kurzer Anregungsdauer zeigt ein interessantes neues Verhalten, bei dem sich eine Equilibrierung des Systems im Kontinuum andeutet.

Die Arbeit beschäftigt sich mit der neuartigen Wechselwirkung von intensiven und ultrakurzen Röntgenlaserpulsen mit atomaren endlichen Systemen, die derzeit durch eine neue Generation von Lichtquellen, sogenannter X-ray free-electron laser (XFEL) zugänglich gemacht wird. Eine der Vorzeigeanwendungen der XFELs ist die zukünftig potentiell mögliche Strukturbestimmung endlicher nicht-periodischer Systeme mit atomarer Auflösung durch Diffraktion. Hierbei stellt sich der durch die hohe notwendige Pulsintensität bedingte Strahlenschaden an dem System als limitierender Faktor heraus, der ein detailliertes Verständnis der durch Photoabsorption induzierten Dynamik voraussetzt, um diese Art der "Mikroskopie" zum Erfolg zu führen. Wir verwenden daher zur Beschreibung der laserinduzierten Dynamik ein mikroskopisches Modell in dem Photoionisation und inner-atomare Zerfallsprozesse durch quantenmechanische Raten behandelt werden und die Dynamik der Ionen und energetischen Elektronen in einer klassischen Molekulardynamik-Simulation erfasst wird. Eine Neuerung gegenüber bisherigen Modellen ist die Berücksichtigung der Ionisation von Atomen durch starke interne Felder in dem hoch-geladenen System. Durch eine Anwendung des Modells auf Neoncluster kann gezeigt werden, dass diese Feldionisation einen wichtigen Beitrag zur laserinduzierten Dynamik darstellt. Sie führt zur ultraschnellen Formation eines Nanoplasmas, welches sich im Kern des geladenen Clusters ansammelt und dort die Ladung der Clusterionen neutralisert. Hierdurch wird eine vorzeitige Coulomb-Explosion des Clusters vermieden. Es wird dargelegt, dass dieser Mechanismus der lokalen Schadensreduzierung durch die Einbettung des Clusters in ein Heliumtröpfchen auf den gesamten Cluster ausgeweitet werden kann, da durch Feldionisation und Migration von Elektronen die vollständige laserbedingte Aufladung des Clusters auf das Heliumtröpfchen transferiert wird. Eine Analyse der resultierenden Diffraktionsmuster bestätigt, dass der reduzierte Strahlenschaden am Cluster den Anwendungsbereich für Diffraktionsexperimente erheblich ausweitet. Kürzlich wurde am SLAC National Accelerator Laboratory der erste XFEL in Betrieb genommen. Eine Modifikation des Modells auf dort bereits erzielbare Wellenlängen wird genutzt um Vorhersagen über das Photoabsorptionsverhalten, aus dem alle weiteren Schäden folgen, an kleinen Neoncluster zu treffen. Hiermit lassen sich bereits jetzt durch den Vergleich zu Experimenten die wichtigen Schadensmechanismen und ihre theoretische Beschreibung testen. Es wird ferner das interessante Relaxationsverhalten des durch massive Photoionisation in XFEL-Strahlung erzeugten Elektronenplasmas untersucht. Diese neuartige Anregung erfolgt auf einer Femtosekunden-Zeitskala und produziert eine hohe Dichte an energetischen Elektronen. Wir beschreiben dieses Plasma durch ein generisches Modell seiner Vielteilchen-Dynamik. Hierbei kann der gesamte Parameterraum des Modells in vier Klassen unterteilt werden, die sich nach Anregungsgrad, der den Elektronenverlust des Plasmas regelt, und Anregungsdauer, die die transiente Dynamik beeinflusst, unterscheiden. Speziell der Bereich starker Anregung bei gleichzeitig kurzer Anregungsdauer zeigt ein interessantes neues Verhalten, bei dem sich eine Equilibrierung des Systems im Kontinuum andeutet.