Fremskritt i ekstrem ultrafiolettlyskildeteknologi
I de senere årene har ekstreme ultrafiolette høyharmoniske kilder vakt stor oppmerksomhet innen elektrondynamikk på grunn av deres sterke koherens, korte pulsvarighet og høye fotonenergi, og har blitt brukt i forskjellige spektral- og avbildningsstudier. Med utviklingen av teknologi, dettelyskildeutvikler seg mot høyere repetisjonsfrekvens, høyere fotonfluks, høyere fotonenergi og kortere pulsbredde. Dette fremskrittet optimerer ikke bare måleoppløsningen til ekstreme ultrafiolette lyskilder, men gir også nye muligheter for fremtidige teknologiske utviklingstrender. Derfor er dybdestudiet og forståelsen av ekstrem ultrafiolett lyskilde med høy repetisjonsfrekvens av stor betydning for å mestre og anvende banebrytende teknologi.
For elektronspektroskopimålinger på femtosekund- og attosekund-tidsskalaer, er antallet hendelser målt i en enkelt stråle ofte utilstrekkelig, noe som gjør lavfrekvenslyskilder utilstrekkelig for å oppnå pålitelig statistikk. Samtidig vil lyskilden med lav fotonfluks redusere signal-til-støy-forholdet til mikroskopisk avbildning i løpet av den begrensede eksponeringstiden. Gjennom kontinuerlig utforskning og eksperimenter har forskere gjort mange forbedringer i utbytteoptimalisering og overføringsdesign av ekstremt 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 elektronisk dynamisk prosess.
Anvendelser av ekstreme ultrafiolette lyskilder, for eksempel målinger med vinkeloppløst elektronspektroskopi (ARPES), krever en stråle med ekstremt ultrafiolett lys for å belyse prøven. Elektronene på overflaten av prøven eksiteres til den kontinuerlige tilstanden av det ekstreme ultrafiolette lyset, og den kinetiske energien og emisjonsvinkelen til fotoelektronene inneholder båndstrukturinformasjonen til prøven. Elektronanalysatoren med vinkeloppløsningsfunksjon mottar de utstrålte fotoelektronene og oppnår båndstrukturen nær valensbåndet til prøven. For ekstrem ultrafiolett lyskilde med lav repetisjonsfrekvens, fordi dens enkeltpuls inneholder et stort antall fotoner, vil den eksitere et stort antall fotoelektroner på prøveoverflaten på kort tid, og Coulomb-interaksjonen vil føre til en alvorlig utvidelse av distribusjonen av fotoelektron kinetisk energi, som kalles romladningseffekten. For å redusere påvirkningen av romladningseffekten, er det nødvendig å redusere fotoelektronene i hver puls mens den konstante fotonfluksen opprettholdes, så det er nødvendig å drivelasermed høy repetisjonsfrekvens for å produsere den ekstreme ultrafiolette lyskilden med høy repetisjonsfrekvens.
Resonansforbedret hulromsteknologi realiserer generering av høyordens harmoniske ved MHz repetisjonsfrekvens
For å oppnå en ekstrem ultrafiolett lyskilde med en repetisjonshastighet på opptil 60 MHz, utførte Jones-teamet ved University of British Columbia i Storbritannia høyordens harmonisk generering i et femtosekund resonansforbedringshulrom (fsEC) for å oppnå en praktisk ekstrem ultrafiolett lyskilde og brukte den på tidsoppløste vinkeloppløste elektronspektroskopi (Tr-ARPES) eksperimenter. Lyskilden er i stand til å levere en fotonfluks på mer enn 1011 foton-tall per sekund med en enkelt harmonisk med en repetisjonshastighet på 60 MHz i energiområdet 8 til 40 eV. De brukte et ytterbium-dopet fiberlasersystem som en frøkilde for fsEC, og kontrollerte pulskarakteristikker gjennom et tilpasset lasersystemdesign for å minimere bærebølgeomhyllingsoffsetfrekvens (fCEO) støy og opprettholde gode pulskompresjonsegenskaper på slutten av forsterkerkjeden. For å oppnå stabil resonansforbedring innenfor fsEC, bruker de tre servokontrollsløyfer for tilbakemeldingskontroll, noe som resulterer i aktiv stabilisering ved to frihetsgrader: tur-retur-tiden for pulsen i fsEC samsvarer med laserpulsperioden, og faseforskyvningen av den elektriske feltbæreren i forhold til pulsomhyllingen (dvs. bærebølgeomhyllingsfase, ϕCEO).
Ved å bruke kryptongass som arbeidsgass, oppnådde forskerteamet generering av høyere ordens 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 til 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. Genereringen av høyordens harmoniske i fsEC har imidlertid svært høye krav til reflektivitet, spredningskompensasjon, finjustering av hulromslengde og synkroniseringslåsing, noe som i stor grad vil påvirke forbedringsmultippelet til det resonansforsterkede hulrommet. Samtidig er den ikke-lineære faseresponsen til plasmaet i brennpunktet i hulrommet også en utfordring. Derfor har denne typen lyskilde for øyeblikket ikke blitt den vanlige ekstreme ultrafiolettehøy harmonisk lyskilde.
Innleggstid: 29. april 2024