Fremskritt innen ekstrem ultrafiolett strålinglyskildeteknologi
I de senere år har ekstreme ultrafiolette høyharmoniske kilder fått bred oppmerksomhet innen elektrondynamikk på grunn av deres sterke koherens, korte pulsvarighet og høye fotonenergi, og har blitt brukt i ulike spektral- og avbildningsstudier. Med teknologiske fremskritt har dettelyskildeutvikler seg mot høyere repetisjonsfrekvens, høyere fotonfluks, høyere fotonenergi og kortere pulsbredde. Dette fremskrittet optimaliserer ikke bare måleoppløsningen til ekstreme ultrafiolette lyskilder, men gir også nye muligheter for fremtidige teknologiske utviklingstrender. Derfor er et grundig studie og forståelse av ekstreme ultrafiolette lyskilder med høy repetisjonsfrekvens av stor betydning for å mestre og anvende banebrytende teknologi.
For elektronspektroskopimålinger på femtosekund- og attosekunder-tidsskalaer er antallet hendelser målt i en enkelt stråle ofte utilstrekkelig, noe som gjør lavfrekvente lyskilder utilstrekkelige til å oppnå pålitelig statistikk. Samtidig vil lyskilder med lav fotonfluks redusere signal-til-støy-forholdet i mikroskopisk avbildning i løpet av den begrensede eksponeringstiden. Gjennom kontinuerlig utforskning og eksperimenter har forskere gjort mange forbedringer i utbytteoptimalisering og transmisjonsdesign av ekstrem ultrafiolett lys med høy repetisjonsfrekvens. Den avanserte spektralanalyseteknologien kombinert med den ekstreme ultrafiolette lyskilden med høy repetisjonsfrekvens har blitt brukt for å oppnå høy presisjonsmåling av materialstruktur og elektroniske dynamiske prosesser.
Anvendelser av ekstreme ultrafiolette lyskilder, som vinkeloppløst elektronspektroskopi (ARPES)-målinger, krever en stråle av ekstremt ultrafiolett lys for å belyse prøven. Elektronene på overflaten av prøven eksiteres til kontinuerlig tilstand av det ekstreme ultrafiolette lyset, og den kinetiske energien og emisjonsvinkelen til fotoelektronene inneholder informasjon om båndstrukturen til prøven. Elektronanalysatoren med vinkeloppløsningsfunksjon mottar de utstrålte fotoelektronene og oppnår båndstrukturen nær valensbåndet til prøven. For ekstreme ultrafiolette lyskilder med lav repetisjonsfrekvens, fordi den enkelte pulsen inneholder et stort antall fotoner, vil den eksitere et stort antall fotoelektroner på prøveoverflaten på kort tid, og Coulomb-interaksjonen vil føre til en betydelig utvidelse av fordelingen av fotoelektronenes kinetiske energi, som kalles romladningseffekten. For å redusere påvirkningen av romladningseffekten er det nødvendig å redusere fotoelektronene i hver puls samtidig som den konstante fotonfluksen opprettholdes, så det er nødvendig å drivelasermed høy repetisjonsfrekvens for å produsere den ekstreme ultrafiolette lyskilden med høy repetisjonsfrekvens.
Resonansforbedret kavitetsteknologi realiserer generering av høyordens harmoniske ved MHz repetisjonsfrekvens
For å oppnå en ekstrem ultrafiolett lyskilde med en repetisjonsfrekvens på opptil 60 MHz, utførte Jones-teamet ved University of British Columbia i Storbritannia generering av høyordens harmonisk frekvens i et femtosekund resonansforsterkningshulrom (fsEC) for å oppnå en praktisk ekstrem ultrafiolett lyskilde, og anvendte den i tidsoppløste vinkeloppløste elektronspektroskopieksperimenter (Tr-ARPES). Lyskilden er i stand til å levere en fotonfluks på mer enn 1011 fotontall per sekund med en enkelt harmonisk frekvens ved en repetisjonsfrekvens på 60 MHz i energiområdet 8 til 40 eV. De brukte et ytterbiumdopet fiberlasersystem som en såkilde for fsEC, og kontrollerte pulskarakteristikkene gjennom et tilpasset lasersystemdesign for å minimere støy fra bærebølgekonvoluttforskyvningsfrekvens (fCEO) og opprettholde gode pulskompresjonsegenskaper på slutten av forsterkerkjeden. For å oppnå stabil resonansforsterkning i fSEC bruker de tre servokontrollløkker for tilbakekoblingskontroll, noe som resulterer i aktiv stabilisering ved to frihetsgrader: rundturstiden for pulssyklusen i fSEC samsvarer med laserpulsperioden, og faseforskyvningen til den elektriske feltbæreren i forhold til pulsomhyllingen (dvs. bæreromhyllingsfase, ϕCEO).
Ved å bruke krypton-gass som arbeidsgass oppnådde forskerteamet generering av høyereordens harmoniske i fsEC. De utførte Tr-ARPES-målinger av grafitt og observerte rask termiering og påfølgende langsom rekombinasjon av ikke-termisk eksiterte elektronpopulasjoner, samt dynamikken i ikke-termisk direkte eksiterte tilstander nær Fermi-nivået over 0,6 eV. Denne lyskilden gir et viktig verktøy for å studere den elektroniske strukturen til komplekse materialer. Generering av høyereordens harmoniske i fsEC har imidlertid svært høye krav til reflektivitet, dispersjonskompensasjon, finjustering av hulromslengde og synkroniseringslåsing, noe som i stor grad vil påvirke forsterkningsmultiplumet til det resonansforsterkede hulrommet. Samtidig er den ikke-lineære faseresponsen til plasmaet i hulrommets fokuspunkt også en utfordring. Derfor har denne typen lyskilde for tiden ikke blitt den vanlige ekstreme ultrafiolette lyskilden.høy harmonisk lyskilde.
Publisert: 29. april 2024