Postępy w ekstremalnym ultrafiolecietechnologia źródła światła
W ostatnich latach źródła o wysokiej zawartości harmonicznych w ekstremalnym ultrafiolecie przyciągnęły szeroką uwagę w dziedzinie dynamiki elektronów ze względu na ich silną spójność, krótki czas trwania impulsu i wysoką energię fotonów, a także zostały wykorzystane w różnych badaniach spektralnych i obrazowych. Wraz z rozwojem technologii toźródło światłarozwija się w kierunku wyższej częstotliwości powtarzania, większego strumienia fotonów, wyższej energii fotonów i krótszej szerokości impulsu. Postęp ten nie tylko optymalizuje rozdzielczość pomiarów źródeł ekstremalnego ultrafioletu, ale także zapewnia nowe możliwości dla przyszłych trendów rozwoju technologicznego. Dlatego dogłębne badanie i zrozumienie źródła ekstremalnego światła ultrafioletowego o wysokiej częstotliwości powtarzania ma ogromne znaczenie dla opanowania i zastosowania najnowocześniejszej technologii.
W przypadku pomiarów spektroskopii elektronowej w skalach czasu femtosekundowego i attosekundowego liczba zdarzeń mierzonych w pojedynczej wiązce jest często niewystarczająca, co sprawia, że źródła światła o niskiej częstotliwości są niewystarczające do uzyskania wiarygodnych statystyk. Jednocześnie źródło światła o niskim strumieniu fotonów zmniejszy stosunek sygnału do szumu w obrazowaniu mikroskopowym w ograniczonym czasie ekspozycji. Dzięki ciągłym badaniom i eksperymentom badacze dokonali wielu ulepszeń w optymalizacji wydajności i projektowaniu transmisji ekstremalnego światła ultrafioletowego o wysokiej częstotliwości powtarzania. Zaawansowana technologia analizy spektralnej w połączeniu ze źródłem światła ultrafioletowego o wysokiej częstotliwości powtarzania została wykorzystana do uzyskania precyzyjnych pomiarów struktury materiału i elektronicznego procesu dynamicznego.
Zastosowania źródeł ekstremalnego ultrafioletu, takie jak pomiary kątowej spektroskopii elektronów (ARPES), wymagają wiązki ekstremalnego światła ultrafioletowego do oświetlenia próbki. Elektrony na powierzchni próbki są wzbudzane do stanu ciągłego przez ekstremalne światło ultrafioletowe, a energia kinetyczna i kąt emisji fotoelektronów zawierają informacje o strukturze pasmowej próbki. Analizator elektronów z funkcją rozdzielczości kątowej odbiera wypromieniowane fotoelektrony i wyznacza strukturę pasmową w pobliżu pasma walencyjnego próbki. W przypadku źródła światła ultrafioletowego o niskiej częstotliwości powtarzania, ponieważ jego pojedynczy impuls zawiera dużą liczbę fotonów, w krótkim czasie wzbudzi dużą liczbę fotoelektronów na powierzchni próbki, a oddziaływanie Coulomba spowoduje poważne poszerzenie rozkładu energii kinetycznej fotoelektronów, co nazywa się efektem ładunku kosmicznego. Aby zredukować wpływ efektu ładunku przestrzennego, należy redukować fotoelektrony zawarte w każdym impulsie przy zachowaniu stałego strumienia fotonów, dlatego konieczne jest wysterowanielaserz wysoką częstotliwością powtarzania, aby wytworzyć ekstremalne źródło światła ultrafioletowego o wysokiej częstotliwości powtarzania.
Technologia wnęki wzmocnionej rezonansem umożliwia generowanie harmonicznych wyższego rzędu z częstotliwością powtarzania MHz
Aby uzyskać źródło światła ekstremalnego ultrafioletu o częstotliwości powtarzania do 60 MHz, zespół Jonesa z Uniwersytetu Kolumbii Brytyjskiej w Wielkiej Brytanii przeprowadził generację harmonicznych wysokiego rzędu we wnęce wzmacniającej rezonans femtosekundowy (fsEC), aby osiągnąć praktyczny źródła ekstremalnego światła ultrafioletowego i zastosował je do eksperymentów z czasowo rozdzielczą kątową spektroskopią elektronów (Tr-ARPES). Źródło światła jest w stanie dostarczyć strumień fotonów o liczbie fotonów przekraczającej 1011 na sekundę z pojedynczą harmoniczną przy częstotliwości powtarzania 60 MHz w zakresie energii od 8 do 40 eV. Jako źródło początkowe fsEC wykorzystali system lasera światłowodowego domieszkowanego iterbem i kontrolowali charakterystykę impulsu za pomocą dostosowanej do indywidualnych potrzeb konstrukcji systemu laserowego, aby zminimalizować szumy związane z częstotliwością przesunięcia obwiedni nośnej (fCEO) i zachować dobrą charakterystykę kompresji impulsów na końcu łańcucha wzmacniacza. Aby osiągnąć stabilne wzmocnienie rezonansu w fsEC, wykorzystują trzy pętle sterowania serwomechanizmem do sterowania ze sprzężeniem zwrotnym, co skutkuje aktywną stabilizacją przy dwóch stopniach swobody: czas cyklu impulsu w fsEC odpowiada okresowi impulsu lasera i przesunięciu fazowemu nośnika pola elektrycznego w odniesieniu do obwiedni impulsu (tj. fazy obwiedni nośnej, ϕCEO).
Wykorzystując gaz kryptonowy jako gaz roboczy, zespołowi badawczemu udało się wygenerować harmoniczne wyższego rzędu w fsEC. Przeprowadzili pomiary Tr-ARPES grafitu i zaobserwowali szybką termiację, a następnie powolną rekombinację populacji elektronów niewzbudzonych termicznie, a także dynamikę stanów nietermicznie wzbudzonych bezpośrednio w pobliżu poziomu Fermiego powyżej 0,6 eV. To źródło światła stanowi ważne narzędzie do badania struktury elektronowej złożonych materiałów. Jednakże generowanie harmonicznych wyższego rzędu w fsEC wiąże się z bardzo wysokimi wymaganiami dotyczącymi współczynnika odbicia, kompensacji dyspersji, dokładnej regulacji długości wnęki i blokowania synchronizacji, co w znacznym stopniu wpłynie na wielokrotność wzmocnienia wnęki o wzmocnionym rezonansie. Jednocześnie nieliniowa odpowiedź fazowa plazmy w ognisku wnęki również stanowi wyzwanie. Dlatego obecnie tego rodzaju źródło światła nie stało się głównym nurtem ekstremalnego ultrafioletuźródło światła o wysokiej harmonicznej.
Czas publikacji: 29 kwietnia 2024 r