Hard x rays come along with a variety of extraordinary properties which make them an excellent probe for investigation in science, technology and medicine. Their large attenuation length in matter opens up the possibility to use hard x-rays for non-destructive investigation of the inner structure of specimens. Medical radiography is one important example of exploiting this feature. Since their discovery by W. C. Röntgen in 1895, a large variety of x-ray analytical techniques have been developed and successfully applied, such as x-ray crystallography, reflectometry, fluorescence spectroscopy, x-ray absorption spectroscopy, small angle x-ray scattering, and many more. Each of those methods reveals information about certain physical properties, but usually, these properties are an average over the complete sample region illuminated by the x rays. In order to obtain the spatial distribution of those properties in inhomogeneous samples, scanning microscopy techniques have to be applied, screening the sample with a small x-ray beam. The spatial resolution is limited by the finite size of the beam. The availability of highly brilliant x-ray sources at third generation synchrotron radiation facilities together with the development of enhanced focusing x-ray optics made it possible to generate increasingly small high intense x-ray beams, pushing the spatial resolution down to the sub-100 nm range. During this thesis the prototype of a hard x-ray scanning microscope utilizing microstructured nanofocusing lenses was designed, built, and successfully tested. The nanofocusing x-ray lenses were developed by our research group of the Institute of Structural Physics at the Technische Universität Dresden. The prototype instrument was installed at the ESRF beamline ID 13. A wide range of experiments like fluorescence element mapping, fluorescence tomography, x-ray nano-diffraction, coherent x-ray diffraction imaging, and x-ray ptychography were performed as part of this thesis. The hard x-ray scanning microscope provides a stable x-ray beam with a full width at half maximum size of 50-100 nm near the focal plane. The nanoprobe was also used for characterization of nanofocusing lenses, crucial to further improve them. Based on the experiences with the prototype, an advanced version of a hard x-ray scanning microscope is under development and will be installed at the PETRA III beamline P06 dedicated as a user instrument for scanning microscopy. This document is organized as follows. A short introduction motivating the necessity for building a hard x-ray scanning microscope is followed by a brief review of the fundamentals of hard x-ray physics with an emphasis on free-space propagation and interaction with matter. After a discussion of the requirements on the x-ray source for the nanoprobe, the main features of synchrotron radiation from an undulator source are shown. The properties of the nanobeam generated by refractive x-ray lenses are treated as well as a two-stage focusing scheme for tailoring size, flux and the lateral coherence properties of the x-ray focus. The design and realization of the microscope setup is addressed, and a selection of experiments performed with the prototype version is presented, before this thesis is finished with a conclusion and an outlook on prospective plans for an improved microscope setup to be installed at PETRA III. / Aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften kommt harte Röntgenstrahlung in vielfältiger Weise in der Wissenschaft, Industrie und Medizin zum Einsatz. Vor allem die Fähigkeit, makroskopische Gegenstände zu durchdringen, eröffnet die Möglichkeit, im Innern ausgedehnter Objekte verborgene Strukturen zum Vorschein zu bringen, ohne den Gegenstand zerstören zu müssen. Eine Vielzahl röntgenanalytischer Verfahren wie zum Beispiel Kristallographie, Reflektometrie, Fluoreszenzspektroskopie, Absorptionsspektroskopie oder Kleinwinkelstreuung sind entwickelt und erfolgreich angewendet worden. Jede dieser Methoden liefert gewisse strukturelle, chemische oder physikalische Eigenschaften der Probe zutage, allerdings gemittelt über den von der Röntgenstrahlung beleuchteten Bereich. Um eine ortsaufgelöste Verteilung der durch die Röntgenanalyse gewonnenen Information zu erhalten, bedarf es eines sogenannten Mikrostrahls, durch den die Probe lokal abgetastet werden kann. Die dadurch erreichbare räumliche Auflösung ist durch die Größe des Mikrostrahls begrenzt. Aufgrund der Verfügbarkeit hinreichend brillanter Röntgenquellen in Form von Undulatoren an Synchrotronstrahlungseinrichtungen und des Vorhandenseins verbesserter Röntgenoptiken ist es in den vergangen Jahren gelungen, immer kleinere intensive Röntgenfokusse zu erzeugen und somit das räumliche Auflösungsvermögen der Röntgenrastermikroskope auf unter 100 nm zu verbessern. Gegenstand dieser Arbeit ist der Prototyp eines Rastersondenmikroskops für harte Röntgenstrahlung unter Verwendung refraktiver nanofokussierender Röntgenlinsen, die von unserer Arbeitsgruppe am Institut für Strukturphysik entwickelt und hergestellt werden. Das Rastersondenmikroskop wurde im Rahmen dieser Promotion in Dresden konzipiert und gebaut sowie am Strahlrohr ID 13 des ESRF installiert und erfolgreich getestet. Das Gerät stellt einen hochintensiven Röntgenfokus der Größe 50-100 nm zur Verfügung, mit dem im Verlaufe dieser Doktorarbeit zahlreiche Experimente wie Fluoreszenztomographie, Röntgennanobeugung, Abbildung mittels kohärenter Röntgenbeugung sowie Röntgenptychographie erfolgreich durchgeführt wurden. Das Rastermikroskop dient unter anderem auch dem Charakterisieren der nanofokussierenden Linsen, wobei die dadurch gewonnenen Erkenntnisse in die Herstellung verbesserten Linsen einfließen. Diese Arbeit ist wie folgt strukturiert. Ein kurzes einleitendes Kapitel dient als Motivation für den Bau eines Rastersondenmikroskops für harte Röntgenstrahlung. Es folgt eine Einführung in die Grundlagen der Röntgenphysik mit Hauptaugenmerk auf die Ausbreitung von Röntgenstrahlung im Raum und die Wechselwirkungsmechanismen von Röntgenstrahlung mit Materie. Anschließend werden die Anforderungen an die Röntgenquelle besprochen und die Vorzüge eines Undulators herausgestellt. Wichtige Eigenschaften eines mittels refraktiver Röntgenlinsen erzeugten Röntgenfokus werden behandelt, und das Konzept einer Vorfokussierung zur gezielten Anpassung der transversalen Kohärenzeigenschaften an die Erfordernisse des Experiments wird besprochen. Das Design und die technische Realisierung des Rastermikroskops werden ebenso dargestellt wie eine Auswahl erfolgreicher Experimente, die am Gerät vollzogen wurden. Die Arbeit endet mit einem Ausblick, der mögliche Weiterentwicklungen in Aussicht stellt, unter anderem den Aufbau eines verbesserten Rastermikroskops am PETRA III-Strahlrohr P06.

Hard x rays come along with a variety of extraordinary properties which make them an excellent probe for investigation in science, technology and medicine. Their large attenuation length in matter opens up the possibility to use hard x-rays for non-destructive investigation of the inner structure of specimens. Medical radiography is one important example of exploiting this feature. Since their discovery by W. C. Röntgen in 1895, a large variety of x-ray analytical techniques have been developed and successfully applied, such as x-ray crystallography, reflectometry, fluorescence spectroscopy, x-ray absorption spectroscopy, small angle x-ray scattering, and many more. Each of those methods reveals information about certain physical properties, but usually, these properties are an average over the complete sample region illuminated by the x rays. In order to obtain the spatial distribution of those properties in inhomogeneous samples, scanning microscopy techniques have to be applied, screening the sample with a small x-ray beam. The spatial resolution is limited by the finite size of the beam. The availability of highly brilliant x-ray sources at third generation synchrotron radiation facilities together with the development of enhanced focusing x-ray optics made it possible to generate increasingly small high intense x-ray beams, pushing the spatial resolution down to the sub-100 nm range. During this thesis the prototype of a hard x-ray scanning microscope utilizing microstructured nanofocusing lenses was designed, built, and successfully tested. The nanofocusing x-ray lenses were developed by our research group of the Institute of Structural Physics at the Technische Universität Dresden. The prototype instrument was installed at the ESRF beamline ID 13. A wide range of experiments like fluorescence element mapping, fluorescence tomography, x-ray nano-diffraction, coherent x-ray diffraction imaging, and x-ray ptychography were performed as part of this thesis. The hard x-ray scanning microscope provides a stable x-ray beam with a full width at half maximum size of 50-100 nm near the focal plane. The nanoprobe was also used for characterization of nanofocusing lenses, crucial to further improve them. Based on the experiences with the prototype, an advanced version of a hard x-ray scanning microscope is under development and will be installed at the PETRA III beamline P06 dedicated as a user instrument for scanning microscopy. This document is organized as follows. A short introduction motivating the necessity for building a hard x-ray scanning microscope is followed by a brief review of the fundamentals of hard x-ray physics with an emphasis on free-space propagation and interaction with matter. After a discussion of the requirements on the x-ray source for the nanoprobe, the main features of synchrotron radiation from an undulator source are shown. The properties of the nanobeam generated by refractive x-ray lenses are treated as well as a two-stage focusing scheme for tailoring size, flux and the lateral coherence properties of the x-ray focus. The design and realization of the microscope setup is addressed, and a selection of experiments performed with the prototype version is presented, before this thesis is finished with a conclusion and an outlook on prospective plans for an improved microscope setup to be installed at PETRA III.:1 Introduction ............................................... 1 2 Basic Properties of Hard X Rays ............................ 3 2.1 Free Propagation of X Rays ............................... 3 2.1.1 The Helmholtz Equation ................................. 4 2.1.2 Integral Theorem of Helmholtz and Kirchhoff ............ 6 2.1.3 Fresnel-Kirchhoff's Diffraction Formula ................ 8 2.1.4 Fresnel-Kirchhoff Propagation .......................... 11 2.2 Interaction of X Rays with Matter ........................ 13 2.2.1 Complex Index of Refraction ............................ 13 2.2.2 Attenuation ............................................ 15 2.2.3 Refraction ............................................. 18 3 The X-Ray Source ........................................... 21 3.1 Requirements ............................................. 21 3.1.1 Energy and Energy Bandwidth ............................ 21 3.1.2 Source Size and Divergence ............................. 23 3.1.3 Brilliance ............................................. 23 3.2 Synchrotron Radiation .................................... 24 3.3 Layout of a Synchrotron Radiation Facility ............... 27 3.4 Liénard-Wiechert Fields .................................. 29 3.5 Dipole Magnets ........................................... 31 3.6 Insertion Devices ........................................ 36 3.6.1 Multipole Wigglers ..................................... 36 3.6.2 Undulators ............................................. 37 4 X-Ray Optics ............................................... 39 4.1 Refractive X-Ray Lenses .................................. 40 4.2 Compound Parabolic Refractive Lenses (CRLs) .............. 41 4.3 Nanofocusing Lenses (NFLs) ............................... 43 4.4 Adiabatically Focusing Lenses (AFLs) ..................... 45 4.5 Focal Distance ........................................... 46 4.6 Transverse Focus Size .................................... 50 4.7 Beam Caustic ............................................. 52 4.8 Depth of Focus ........................................... 53 4.9 Beam Divergence .......................................... 53 4.10 Chromaticity ............................................ 54 4.11 Transmission and Cross Section .......................... 55 4.12 Transverse Coherence .................................... 56 4.12.1 Mutual Intensity Function ............................. 57 4.12.2 Free Propagation of Mutual Intensity .................. 57 4.12.3 Mutual Intensity In The Focal Plane ................... 58 4.12.4 Diffraction Limited Focus ............................. 59 4.13 Coherent Flux ........................................... 60 4.14 Two-Stage Focusing ...................................... 64 4.14.1 The Prefocusing Parameter ............................. 65 4.14.2 Required Refractive Power ............................. 67 4.14.3 Flux Considerations ................................... 70 4.14.4 Astigmatic Prefocusing ................................ 75 5 Nanoprobe Setup ............................................ 77 5.1 X-Ray Optics ............................................. 78 5.1.1 Nanofocusing Lenses .................................... 79 5.1.2 Entry Slits ............................................ 82 5.1.3 Pinhole ................................................ 82 5.1.4 Additional Shielding ................................... 83 5.1.5 Vacuum and Helium Tubes ................................ 83 5.2 Sample Stages ............................................ 84 5.2.1 High Resolution Scanner ................................ 84 5.2.2 High Precision Rotational Stage ........................ 85 5.2.3 Coarse Linear Stages ................................... 85 5.2.4 Goniometer Head ........................................ 85 5.3 Detectors ................................................ 86 5.3.1 High Resolution X-Ray Camera ........................... 86 5.3.2 Diffraction Cameras .................................... 89 5.3.3 Energy Dispersive Detectors ............................ 91 5.3.4 Photodiodes ............................................ 93 5.4 Control Software ......................................... 94 6 Experiments ................................................ 97 6.1 Lens Alignment ........................................... 97 6.2 Focus Characterization ................................... 99 6.2.1 Knife-Edge Scans ....................................... 100 6.2.2 Far-Field Measurements ................................. 102 6.2.3 X-Ray Ptychography ..................................... 103 6.3 Fluorescence Spectroscopy ................................ 105 6.3.1 Fluorescence Element Mapping ........................... 107 6.3.2 Fluorescence Tomography ................................ 110 6.4 Diffraction Experiments .................................. 111 6.4.1 Microdiffraction on Phase Change Media ................. 112 6.4.2 Microdiffraction on Stranski-Krastanow Islands ......... 113 6.4.3 Coherent X-Ray Diffraction Imaging of Gold Particles ... 115 6.4.4 X-Ray Ptychography of a Nano-Structured Microchip ...... 117 7 Conclusion and Outlook ..................................... 121 Bibliography ................................................. 125 List of Figures .............................................. 139 List of Publications ......................................... 141 Danksagung ................................................... 145 Curriculum Vitae ............................................. 149 Erklärung .................................................... 151 / Aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften kommt harte Röntgenstrahlung in vielfältiger Weise in der Wissenschaft, Industrie und Medizin zum Einsatz. Vor allem die Fähigkeit, makroskopische Gegenstände zu durchdringen, eröffnet die Möglichkeit, im Innern ausgedehnter Objekte verborgene Strukturen zum Vorschein zu bringen, ohne den Gegenstand zerstören zu müssen. Eine Vielzahl röntgenanalytischer Verfahren wie zum Beispiel Kristallographie, Reflektometrie, Fluoreszenzspektroskopie, Absorptionsspektroskopie oder Kleinwinkelstreuung sind entwickelt und erfolgreich angewendet worden. Jede dieser Methoden liefert gewisse strukturelle, chemische oder physikalische Eigenschaften der Probe zutage, allerdings gemittelt über den von der Röntgenstrahlung beleuchteten Bereich. Um eine ortsaufgelöste Verteilung der durch die Röntgenanalyse gewonnenen Information zu erhalten, bedarf es eines sogenannten Mikrostrahls, durch den die Probe lokal abgetastet werden kann. Die dadurch erreichbare räumliche Auflösung ist durch die Größe des Mikrostrahls begrenzt. Aufgrund der Verfügbarkeit hinreichend brillanter Röntgenquellen in Form von Undulatoren an Synchrotronstrahlungseinrichtungen und des Vorhandenseins verbesserter Röntgenoptiken ist es in den vergangen Jahren gelungen, immer kleinere intensive Röntgenfokusse zu erzeugen und somit das räumliche Auflösungsvermögen der Röntgenrastermikroskope auf unter 100 nm zu verbessern. Gegenstand dieser Arbeit ist der Prototyp eines Rastersondenmikroskops für harte Röntgenstrahlung unter Verwendung refraktiver nanofokussierender Röntgenlinsen, die von unserer Arbeitsgruppe am Institut für Strukturphysik entwickelt und hergestellt werden. Das Rastersondenmikroskop wurde im Rahmen dieser Promotion in Dresden konzipiert und gebaut sowie am Strahlrohr ID 13 des ESRF installiert und erfolgreich getestet. Das Gerät stellt einen hochintensiven Röntgenfokus der Größe 50-100 nm zur Verfügung, mit dem im Verlaufe dieser Doktorarbeit zahlreiche Experimente wie Fluoreszenztomographie, Röntgennanobeugung, Abbildung mittels kohärenter Röntgenbeugung sowie Röntgenptychographie erfolgreich durchgeführt wurden. Das Rastermikroskop dient unter anderem auch dem Charakterisieren der nanofokussierenden Linsen, wobei die dadurch gewonnenen Erkenntnisse in die Herstellung verbesserten Linsen einfließen. Diese Arbeit ist wie folgt strukturiert. Ein kurzes einleitendes Kapitel dient als Motivation für den Bau eines Rastersondenmikroskops für harte Röntgenstrahlung. Es folgt eine Einführung in die Grundlagen der Röntgenphysik mit Hauptaugenmerk auf die Ausbreitung von Röntgenstrahlung im Raum und die Wechselwirkungsmechanismen von Röntgenstrahlung mit Materie. Anschließend werden die Anforderungen an die Röntgenquelle besprochen und die Vorzüge eines Undulators herausgestellt. Wichtige Eigenschaften eines mittels refraktiver Röntgenlinsen erzeugten Röntgenfokus werden behandelt, und das Konzept einer Vorfokussierung zur gezielten Anpassung der transversalen Kohärenzeigenschaften an die Erfordernisse des Experiments wird besprochen. Das Design und die technische Realisierung des Rastermikroskops werden ebenso dargestellt wie eine Auswahl erfolgreicher Experimente, die am Gerät vollzogen wurden. Die Arbeit endet mit einem Ausblick, der mögliche Weiterentwicklungen in Aussicht stellt, unter anderem den Aufbau eines verbesserten Rastermikroskops am PETRA III-Strahlrohr P06.:1 Introduction ............................................... 1 2 Basic Properties of Hard X Rays ............................ 3 2.1 Free Propagation of X Rays ............................... 3 2.1.1 The Helmholtz Equation ................................. 4 2.1.2 Integral Theorem of Helmholtz and Kirchhoff ............ 6 2.1.3 Fresnel-Kirchhoff's Diffraction Formula ................ 8 2.1.4 Fresnel-Kirchhoff Propagation .......................... 11 2.2 Interaction of X Rays with Matter ........................ 13 2.2.1 Complex Index of Refraction ............................ 13 2.2.2 Attenuation ............................................ 15 2.2.3 Refraction ............................................. 18 3 The X-Ray Source ........................................... 21 3.1 Requirements ............................................. 21 3.1.1 Energy and Energy Bandwidth ............................ 21 3.1.2 Source Size and Divergence ............................. 23 3.1.3 Brilliance ............................................. 23 3.2 Synchrotron Radiation .................................... 24 3.3 Layout of a Synchrotron Radiation Facility ............... 27 3.4 Liénard-Wiechert Fields .................................. 29 3.5 Dipole Magnets ........................................... 31 3.6 Insertion Devices ........................................ 36 3.6.1 Multipole Wigglers ..................................... 36 3.6.2 Undulators ............................................. 37 4 X-Ray Optics ............................................... 39 4.1 Refractive X-Ray Lenses .................................. 40 4.2 Compound Parabolic Refractive Lenses (CRLs) .............. 41 4.3 Nanofocusing Lenses (NFLs) ............................... 43 4.4 Adiabatically Focusing Lenses (AFLs) ..................... 45 4.5 Focal Distance ........................................... 46 4.6 Transverse Focus Size .................................... 50 4.7 Beam Caustic ............................................. 52 4.8 Depth of Focus ........................................... 53 4.9 Beam Divergence .......................................... 53 4.10 Chromaticity ............................................ 54 4.11 Transmission and Cross Section .......................... 55 4.12 Transverse Coherence .................................... 56 4.12.1 Mutual Intensity Function ............................. 57 4.12.2 Free Propagation of Mutual Intensity .................. 57 4.12.3 Mutual Intensity In The Focal Plane ................... 58 4.12.4 Diffraction Limited Focus ............................. 59 4.13 Coherent Flux ........................................... 60 4.14 Two-Stage Focusing ...................................... 64 4.14.1 The Prefocusing Parameter ............................. 65 4.14.2 Required Refractive Power ............................. 67 4.14.3 Flux Considerations ................................... 70 4.14.4 Astigmatic Prefocusing ................................ 75 5 Nanoprobe Setup ............................................ 77 5.1 X-Ray Optics ............................................. 78 5.1.1 Nanofocusing Lenses .................................... 79 5.1.2 Entry Slits ............................................ 82 5.1.3 Pinhole ................................................ 82 5.1.4 Additional Shielding ................................... 83 5.1.5 Vacuum and Helium Tubes ................................ 83 5.2 Sample Stages ............................................ 84 5.2.1 High Resolution Scanner ................................ 84 5.2.2 High Precision Rotational Stage ........................ 85 5.2.3 Coarse Linear Stages ................................... 85 5.2.4 Goniometer Head ........................................ 85 5.3 Detectors ................................................ 86 5.3.1 High Resolution X-Ray Camera ........................... 86 5.3.2 Diffraction Cameras .................................... 89 5.3.3 Energy Dispersive Detectors ............................ 91 5.3.4 Photodiodes ............................................ 93 5.4 Control Software ......................................... 94 6 Experiments ................................................ 97 6.1 Lens Alignment ........................................... 97 6.2 Focus Characterization ................................... 99 6.2.1 Knife-Edge Scans ....................................... 100 6.2.2 Far-Field Measurements ................................. 102 6.2.3 X-Ray Ptychography ..................................... 103 6.3 Fluorescence Spectroscopy ................................ 105 6.3.1 Fluorescence Element Mapping ........................... 107 6.3.2 Fluorescence Tomography ................................ 110 6.4 Diffraction Experiments .................................. 111 6.4.1 Microdiffraction on Phase Change Media ................. 112 6.4.2 Microdiffraction on Stranski-Krastanow Islands ......... 113 6.4.3 Coherent X-Ray Diffraction Imaging of Gold Particles ... 115 6.4.4 X-Ray Ptychography of a Nano-Structured Microchip ...... 117 7 Conclusion and Outlook ..................................... 121 Bibliography ................................................. 125 List of Figures .............................................. 139 List of Publications ......................................... 141 Danksagung ................................................... 145 Curriculum Vitae ............................................. 149 Erklärung .................................................... 151

Kalzium ist ein wichtiger intrazelluläre Botenstoff, der extrazelluläre Signale in zelluläre Antworten übersetzt. Oft werden externen Signale in wiederholte Anstiege der zytosolischen Kalziumkonzentration übersetzt, die als Oszillationen bezeichnet werden. Diese interdisziplinäre Arbeit kombiniert biologische Experimente, analytische Methoden der theoretischen Physik und Computersimulationen, um den Oszillationsmechanismus zu charakterisieren. Von wesentlicher Bedeutung ist dabei die räumlich inhomogene Verteilung der Kanäle, die Kanalcluster bilden. Dies induziert zusammen mit Pumpen große Konzentrationsgradienten in der Nähe von offenen Clustern, was zu einer hierarchischen Organisation führt. Unter diesem Gesichtspunkt erwartet man, dass Kalziumoszillationen stochastisch sind und auf räumlicher Wechselwirkung beruhen. Diese Hypothese wird im ersten Teil der Arbeit experimentell verifiziert, indem Oszillationen vier verschiedener Zellarten analysiert werden. Der Kalziumsignalweg nutzt thermisches Rauschen konstruktiv um globale Signale zu bilden. Dabei werden molekulare Fluktuationen durch die hierarchische Struktur auf die zelluläre Ebene gehoben. Dies steht im Gegensatz zu der jahrzehntelang weitläufigen Auffassung, dass Kalzium ein repräsentatives Beispiel eines zellulären Oszillators ist. Des weiteren macht dieses Ergebnis Kalzium zu einem ersten natürlichen Beispiel für "array enhanced coherent resonance". Im Modellierungsteil dieser Arbeit wird ein physiologisches Modell für die intrazelluläre Kalziumdynamik entwickelt, das die dreidimensionale Struktur von Zellen berücksichtigt. Es verwendet ein detailliertes Kanalmodell und berücksichtigt sowohl Diffusion als auch Reaktionen mit Puffern. Der entwickelte parallele Green''s cell Algorithmus generiert in Abhängigkeit von physiologischen Parametern das gesamte Spektrum der experimentell bekannten Kalziumsignale und spiegelt die experimentellen Daten des ersten Teils in nahezu perfekter Weise wider. / Calcium is an important second messenger in cells serving as a critical link between extracellular stimuli and their cellular responses. The external signals are translated often into repeated increases of the cytosolic calcium concentration what is referred as oscillations. This work uses an interdisciplinary approach combining experimental techniques from biology, analytical tools from theoretical physics and computer simulations to clarify the question of the oscillation mechanism and how cells can generate globally coordinated calcium signals originated from local stochastic channel dynamics. In this context, the spatial inhomogeneous distribution of channels forming channel clusters plays a key role. Together with calcium pumps and buffers, this induces huge functional concentration gradients close to open clusters, leading to a hierarchical organization of calcium signals. Thus, calcium oscillations are predicted to be stochastic and to have a spatial character. This hypothesis is justified experimentally in the first part of this thesis by analyzing calcium oscillations of four different cell types. Hence, calcium signaling constructively uses thermal noise to build global signals. This contradicts the current opinion of the last decades of calcium being a representative cellular oscillator. Moreover, this makes calcium a first natural example of array enhanced coherent resonance. In the modeling part of this work, a physiological model for intracellular calcium dynamics in three spatial dimensions is developed that takes the spatial arrangement of cells seriously. It uses a detailed channel model for the discrete release sites and takes into account diffusion and buffer interaction of calcium. In dependence on physiologic parameters, the developed parallel Green''s cell algorithm generates in a natural way the whole spectrum of experimentally known calcium signals and fits the experimental data of the first part in an almost perfect manner.

No description available.

No description available.

We are using organic small molecules as absorbing material to investigate coherent perfect absorption in layered thin-film structures. Therefore we realize strongly asymmetric resonator structures with a high optical quality dielectric distributed Bragg reflector and thermally evaporated wedged organic materials on top. We investigate the optical properties of these structures systematically by selective optical pumping and probing of the structure. By shifting the samples along the wedge, we demonstrate how relations of phase and amplitude of all waves can be tuned to achieve coherent perfect absorption. Thus almost all incident radiation dissipates in the thin organic absorbing layer. Furthermore, we show how these wedged structures on a high-quality reflective dielectric mirror can be used to determine optical dispersion relations of absorbing materials in a broad spectral range. This novel approach does not require any specific a priori knowledge on the absorbing film.

Broadband Coherent Anti-Stokes Raman scattering (B-CARS) is an advanced Raman spectroscopy technique used to investigate the vibrational properties of materials. B-CARS combines the spectral sensitivity of spontaneous Raman scattering with the enhanced signal intensity of coherent Raman techniques. While B-CARS has been successfully applied in biomedicine for ultra-fast imaging of biological tissue, its potential in solid-state physics remains largely unexplored. This work delves into the challenges and adaptations necessary to apply B-CARS to crystalline materials and shows its potential as a powerful tool for high-speed, hyperspectral investigations. The theoretical part of this work covers inelastic light-matter scattering fundamentals and the signal generation process of B-CARS, with special attention given to the so-called Non-Resonant Background (NRB). This sample-unspecific signal amplifies the B-CARS intensity but also distorts the shape and position of the measured spectral peaks. A reliable NRB correction becomes crucial to retrieve precise spectral parameters containing information on the investigated material's crystallographic structure, defect density, and stress distribution. The first results chapter presents a practical guideline for an optimized workflow of sample preparation, measurement procedure, and data analysis. The influences of sample surfaces, focus positioning, and polarization sensitivity are discussed. The successful NRB removal is achieved by adapting an algorithm initially designed for biomedical purposes. The second chapter involves a transnational Round Robin investigating the same set of materials using different experimental setups. The influences of laser source, detection range, and transmission vs. epi detection are explored to optimize the experimental parameters. This work showcases applications such as high-speed, hyperspectral imaging of ferroelectric domain walls in LiNbO3, demonstrating the potential of B-CARS in the cutting-edge field of domain wall engineering. Additionally, imaging and polarization-sensitive measurements are shown for MoO3 flakes, paving the way for B-CARS investigations of 2D materials. The final chapter presents advanced techniques, such as Three-Color CARS and Time-Delay CARS, applied to crystalline materials. Three-Color CARS is especially promising, as it enhances the signal intensity for low-frequency Raman modes, which are particularly interesting for solid-state physics compared to the usual large-shift modes investigated in biomedical research. Meanwhile, Time-Delay CARS is sensitive to relaxation processes of vibrational and NRB states, enabling experimental NRB removal and lifetime measurements. Additionally, a neural network-based NRB removal method is presented, eliminating the need for a prior NRB spectrum and offering rapid computation. In summary, this work demonstrates the successful implementation of B-CARS for crystalline materials and provides a comprehensive guideline for the optimal experimental setup, workflow, and data processing. The application of B-CARS for imaging bulk crystalline materials, ferroelectric domain walls, and 2D structures shows promising possibilities for future research.

In dieser Arbeit werden einige Probleme im Zusammenhang mit der Erzeugung ultrakurzer Pulse in modengekoppelten Lasern unter Verwendung analytischer und numerischer Methoden theoretisch untersucht. Weiterhin werden einige Resultate über die Strahlung resonanter Medien, welche durch einen ultrakurzen Überlichtgeschwindigkeits-Lichtpuls angeregt werden, dargestellt. / In this thesis current problems related to the generation of short optical pulses in mode-locked lasers are considered in a theoretical context. We use numerical and analytical methods to study these problems. Additionally, the problem of resonant medium radiation excited by ultrashort light pulse propagating at superluminal velocity is investigated.

Das Thema der vorgelegten Dissertation ist der quasi-isochrone Betrieb der Metrology Light Source zur Erzeugung kurzer Elektronenpakete mit der damit verbundenen Emission von kohärenter Sychrotronstrahlung. Die Metrology Light Source wurde schon in der Planungsphase auf den quasi-isochronen Betrieb ausgelegt. Es stehen Quadrupol-, Sextupol- und Oktupolmagnete zur Verfügung, um die drei führenden Ordnungen des sogenannten momentum compaction factors zu kontrollieren. Der Schwerpunkte der Arbeit ist nichtlineare, longitudinale Strahldynamik, insbesondere die sogenannten "alpha-buckets". Der Vergleich zwischen analytischen Ansätzen, numerischen Simulation und experimentellen Daten wird vorgestellt und diskutiert. Desweiteren wurde die Stromlimitierung durch die Bursting-Instabilität an der Metrology Light Source untersucht. Der Großteil der Messungen ist dabei an der Metrology Light Source durchgeführt worden mit komplementären Messungen am Elektronenspeicherring BESSY II. / The subject of this thesis is the operation of an electron storage ring at a low momentum compaction to generate short electron bunches as a source for coherent synchrotron radiation. For this purpose the Metrology Light Source is ideally suited, as it is the first light source designed with the ability to adjust the three leading orders of the momentum compaction factor by quadrupole, sextupole and octupole magnets. Therefore, new opportunities to shape the longitudinal phase space arise. Focus will be put on beam dynamics dominated by nonlinear momentum compaction, in particular the generation of a new bucket type "alpha-buckets" and possible applications. Relation of analytical theory, numerical simulations and experimental data will be presented and discussed. In addition, the current limitation due to the bursting instability at the Metrology Light Source bunches will be investigated. The majority of measurements were conducted at the Metrology Light Source complemented by measurements at the BESSY II storage ring.

This thesis is concerned with the optimization and development of the production of nanofocusing refractive x-ray lenses. These optics made of either silicon or diamond are well-suited for high resolution x-ray microscopy. The goal of this work is the design of a reproducible manufacturing process which allows the production of silicon lenses with high precision, high quality and high piece number. Furthermore a process for the production of diamond lenses is to be developed and established. In this work, the theoretical basics of x-rays and their interaction with matter are described. Especially, aspects of synchrotron radiation are emphasized. Important in x-ray microscopy are the different optics. The details, advantages and disadvantages, in particular those of refractive lenses are given. To achieve small x-ray beams well beyond the 100nm range a small focal length is required. This is achieved in refractive lenses by moving to a compact lens design where several single lenses are stacked behind each other. The, so-called nanofocusing refractive lenses (NFLs) have a parabolic cylindrical shape with lateral structure sizes in the micrometer range. NFLs are produced by using micro-machining techniques. These micro-fabrication processes and technologies are introduced. The results of the optimization and the final fabrication process for silicon lenses are presented. Subsequently, two experiments that are exemplary for the use of NFLs, are introduced. The first one employs a high-resolution scanning fluorescence mapping of a geological sample, and the second one is a coherent x-ray diffraction imaging (CXDI) experiment. CXDI is able to reconstruct the illuminated object from recorded coherent diffraction patterns. In a scanning mode, referred to as ptychography, this method is even able to reconstruct the illumination and the object simultaneously. Especially the reconstructed illumination and the possibility of computed propagation of the wavefield along the focused beam yields findings about the optic used. The collected data give interesting information about the lenses and their aberrations. Comparison of simulated and measured data shows good agreement. Following this, the fabrication process of diamond lenses is described. Diamond with its extraordinary properties is well-suited as lens material for refractive lenses. Finally, a concluding overview of the present and future work of nanofocusing lenses is given. / Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Entwicklung und Optimierung der Herstellungsprozesse von refraktiven nanofokussierenden Röntgenlinsen. Diese aus Silizium oder Diamant hergestellten Optiken, sind hervorragend für hochauflösende Röntgen\-mikroskopie geeignet. Ziel dieser Arbeit ist es, einen reproduzierbaren Herstellungsprozess zu erarbeiten, der es erlaubt, Siliziumlinsen von hoher Präzision, Qualität und Quantität zu fertigen. Zusätzlich soll ein Prozess für Diamantlinsen entwickelt und etabliert werden. In der folgenden Arbeit werden die theoretischen Grundlagen von Röntgenstrahlung und deren Wechselwirkung mit Materie beschrieben. Spezielle Aspekte der Synchrotronstrahlung werden hervorgehoben. Wichtig im Zusammenhang mit Röntgenmikroskopie sind die verschieden Optiken. Deren Details, Vor- und Nachteile, insbesondere die der brechenden Linsen, werden genannt. Zur Erzeugung fein gebündelter Röntgenmikrostrahlen im Bereich unter 100nm lateraler Größe benötigt man sehr kurze Brennweiten. Mit brechenden Linsen lässt sich dieses mittels eines kompakten Linsendesigns von vielen hintereinander gestapelten Einzellinsen realisieren. Die so genannten refraktiven nanofokussierenden Linsen (NFLs) besitzen eine parabolische Zylinderform mit lateralen Strukturgrößen im Mikrometerbereich. NFLs werden mittels spezieller Technologien der Mikroprozessierung hergestellt. Diese Mikrostrukturierungsverfahren werden mit ihren jeweiligen Prozessschritten und zugehörenden Technologien vorgestellt. Die Ergebnisse der Optimierung und der endgültige Mikrostrukturierungsprozess für Siliziumlinsen werden dargelegt. Im Anschluss daran werden zwei Experimente erläutert, die beispielhaft für die Anwendung von NFLs stehen. Ersteres ist ein ortsaufgelöstes Fluoreszenzrasterexperiment einer geologischen Probe und das zweite ein kohärentes Röntgen-Beugungsexperiment (CXDI). CXDI ist in der Lage, aus kohärent aufgenommen Beugungsbildern das beleuchtete Objekt zu rekonstruieren. Kombiniert mit einem rasternden Verfahren, welches Ptychographie genannt wird, ist diese Methode in der Lage, die Beleuchtungsfunktion und das Objekt gleichzeitig zu rekonstruieren. Besonderes die rekonstruierte Beleuchtungsfunktion und die Möglichkeit der computergestützten Propagation des Wellenfeldes entlang des fokussierten Strahls, geben aufschlussreiche Informationen über die verwendete Optik. Neue Erkenntnisse über die Linsen und deren Aberrationen können so gewonnen werden. Vergleiche von simulierten mit gemessenen Daten zeigen gute Übereinstimmung. Daran anschließend erfolgt die Beschreibung der Entwicklung eines Fabrikationsprozess für Diamantlinsen. Diamant mit seinen außergewöhnlichen Materialeigenschaften ist besonders gut als Linsenmaterial für refraktive Röntgenlinsen geeignet. Abschliessend wird ein zusammenfassender Überblick über die derzeitigen und die zu erwartenden Entwicklungen bei refraktiven Linsen gegeben.