Äärimmäisen ultraviolettivalonlähdetekniikan edistysaskeleet

Äärimmäisen ultraviolettisäteilyn edistysaskeleetvalonlähdetekniikka

Viime vuosina äärimmäisen ultraviolettisäteilyn korkeaharmoniset lähteet ovat herättäneet laajaa huomiota elektronidynamiikan alalla vahvan koherenssinsa, lyhyen pulssin kestonsa ja korkean fotonienergiansa ansiosta, ja niitä on käytetty erilaisissa spektri- ja kuvantamistutkimuksissa. Teknologian kehittyessä tämävalonlähdekehittyy kohti korkeampaa toistotaajuutta, korkeampaa fotonivirtausta, korkeampaa fotonienergiaa ja lyhyempää pulssinleveyttä. Tämä edistysaskel ei ainoastaan ​​optimoi äärimmäisten ultraviolettivalonlähteiden mittausresoluutiota, vaan tarjoaa myös uusia mahdollisuuksia tulevaisuuden teknologisille kehitystrendeille. Siksi korkean toistotaajuuden omaavien äärimmäisten ultraviolettivalonlähteiden perusteellinen tutkiminen ja ymmärtäminen on erittäin tärkeää huipputeknologian hallitsemiseksi ja soveltamiseksi.

Femtosekunti- ja attosekuntiaikaskaavoilla tehtävissä elektronispektroskopiamittauksissa yhdellä säteellä mitattavien tapahtumien määrä on usein riittämätön, minkä vuoksi matalataajuiset valonlähteet eivät riitä luotettavien tilastotietojen saamiseksi. Samaan aikaan matalan fotonivuon omaava valonlähde heikentää mikroskooppisen kuvantamisen signaali-kohinasuhdetta rajoitetun valotusajan aikana. Jatkuvan tutkimuksen ja kokeiden avulla tutkijat ovat tehneet monia parannuksia korkean toistotaajuuden omaavan äärimmäisen ultraviolettivalon tuoton optimointiin ja läpäisysuunnitteluun. Edistynyttä spektrianalyysitekniikkaa yhdistettynä korkean toistotaajuuden omaavaan äärimmäisen ultraviolettivalonlähteeseen on käytetty materiaalirakenteen ja elektronisten dynaamisten prosessien tarkkojen mittausten saavuttamiseksi.

Äärimmäisen ultraviolettivalonlähteiden sovellukset, kuten kulmaerotteisen elektronispektroskopian (ARPES) mittaukset, vaativat äärimmäisen ultraviolettivalon säteen valaisemaan näytettä. Näytteen pinnalla olevat elektronit virittyvät jatkuvaan tilaan äärimmäisen ultraviolettivalon vaikutuksesta, ja fotoelektronien kineettinen energia ja emissiokulma sisältävät tiedon näytteen kaistarakenteesta. Kulmaresoluutiotoiminnolla varustettu elektronianalysaattori vastaanottaa säteilevät fotoelektronit ja määrittää kaistarakenteen näytteen valenssikaistan lähellä. Alhaisen toistotaajuuden omaavassa äärimmäisen ultraviolettivalonlähteessä, koska sen yksittäinen pulssi sisältää suuren määrän fotoneja, se virittää suuren määrän fotoelektroneja näytteen pinnalla lyhyessä ajassa, ja Coulombin vuorovaikutus johtaa fotoelektronien kineettisen energian jakauman merkittävään laajenemiseen, jota kutsutaan avaruusvarausvaikutukseksi. Avaruusvarausvaikutuksen vaikutuksen vähentämiseksi on tarpeen vähentää kunkin pulssin sisältämiä fotoelektroneja samalla kun fotonivirtaus pysyy vakiona. Siksi on tarpeen ohjata...laserkorkealla toistotaajuudella äärimmäisen ultraviolettivalonlähteen tuottamiseksi korkealla toistotaajuudella.

Resonanssilla parannettu ontelotekniikka mahdollistaa korkeamman asteen harmonisten generoinnin MHz:n toistotaajuudella
Saadakseen aikaan äärimmäisen ultraviolettivalonlähteen, jonka toistotaajuus on jopa 60 MHz, Jones-tiimi British Columbian yliopistossa Isossa-Britanniassa suoritti korkeamman asteen harmonisten generoinnin femtosekuntiresonanssin tehostusontelossa (fsEC) käytännöllisen äärimmäisen ultraviolettivalonlähteen aikaansaamiseksi ja sovelsi sitä aikaerotteissa kulmaerotteisissa elektronispektroskopia (Tr-ARPES) -kokeissa. Valonlähde pystyy tuottamaan yli 1011 fotoniluvun sekunnissa yhdellä harmonisella yliaallolla 60 MHz:n toistotaajuudella ja 8–40 eV:n energia-alueella. He käyttivät ytterbiumilla seostettua kuitulaserjärjestelmää fsEC:n siemenlähteenä ja kontrolloivat pulssin ominaisuuksia räätälöidyn laserjärjestelmäsuunnittelun avulla kantoaallon vaippakäyrän siirtymätaajuuden (fCEO) kohinan minimoimiseksi ja hyvien pulssinpuristusominaisuuksien ylläpitämiseksi vahvistinketjun lopussa. Vakaan resonanssin vahvistumisen saavuttamiseksi fsEC:ssä he käyttävät kolmea servosäätösilmukkaa takaisinkytkentään, mikä johtaa aktiiviseen vakautukseen kahdella vapausasteella: pulssin kiertoaika fsEC:ssä vastaa laserpulssin jaksoa ja sähkökentän kantoaallon vaihesiirto pulssin verhokäyrään nähden (eli kantoaallon verhokäyrän vaihe, ϕCEO).

Käyttämällä kryptonkaasua työkaasuna tutkimusryhmä saavutti korkeamman asteen harmonisten generoinnin fsEC:ssä. He suorittivat grafiitin Tr-ARPES-mittauksia ja havaitsivat nopean termisen kiihtymisen ja sitä seuraavan hitaan rekombinaation ei-termisesti virittyneissä elektronipopulaatioissa, sekä ei-termisesti suoraan virittyneiden tilojen dynamiikan lähellä Fermi-tasoa yli 0,6 eV. Tämä valonlähde tarjoaa tärkeän työkalun monimutkaisten materiaalien elektronisen rakenteen tutkimiseen. Korkeamman asteen harmonisten generoinnilla fsEC:ssä on kuitenkin erittäin korkeat vaatimukset heijastavuuden, dispersion kompensoinnin, ontelon pituuden hienosäädön ja synkronoinnin lukituksen suhteen, mikä vaikuttaa suuresti resonanssilla tehostetun ontelon vahvistuskertoimeen. Samalla plasman epälineaarinen vaihevaste ontelon polttopisteessä on myös haaste. Siksi tällä hetkellä tämäntyyppinen valonlähde ei ole tullut valtavirran äärimmäisen ultraviolettivalon lähteeksi.korkean harmonisen valonlähde.