Framsteg inom extrem ultraviolett strålningljuskällans teknik
Under senare år har extrema ultravioletta högharmoniska källor fått stor uppmärksamhet inom elektrondynamik på grund av deras starka koherens, korta pulslängd och höga fotonenergi, och har använts i olika spektral- och avbildningsstudier. Med teknikens framsteg har detta...ljuskällautvecklas mot högre repetitionsfrekvens, högre fotonflöde, högre fotonenergi och kortare pulsbredd. Detta framsteg optimerar inte bara mätupplösningen för extrema ultravioletta ljuskällor, utan ger också nya möjligheter för framtida tekniska utvecklingstrender. Därför är en djupgående studie och förståelse av extrema ultravioletta ljuskällor med hög repetitionsfrekvens av stor betydelse för att bemästra och tillämpa banbrytande teknik.
För elektronspektroskopimätningar på femtosekund- och attosekundtidsskalor är antalet händelser som mäts i en enda stråle ofta otillräckligt, vilket gör att ljuskällor med låg refrekvent frekvens är otillräckliga för att erhålla tillförlitlig statistik. Samtidigt kommer ljuskällor med lågt fotonflöde att minska signal-brusförhållandet vid mikroskopisk avbildning under den begränsade exponeringstiden. Genom kontinuerlig forskning och experiment har forskare gjort många förbättringar inom utbytesoptimering och transmissionsdesign för extremt ultraviolett ljus med hög repetitionsfrekvens. Den avancerade spektralanalystekniken i kombination med den extremt ultravioletta ljuskällan med hög repetitionsfrekvens har använts för att uppnå hög precisionsmätning av materialstruktur och elektroniska dynamiska processer.
Tillämpningar av extrema ultravioletta ljuskällor, såsom ARPES-mätningar (vinkelupplöst elektronspektroskopi), kräver en stråle av extremt ultraviolett ljus för att belysa provet. Elektronerna på provytan exciteras till kontinuerligt tillstånd av det extrema ultravioletta ljuset, och fotoelektronernas kinetiska energi och emissionsvinkel innehåller information om provets bandstruktur. Elektronanalysatorn med vinkelupplösningsfunktion tar emot de utstrålade fotoelektronerna och erhåller bandstrukturen nära provets valensband. För extrema ultravioletta ljuskällor med låg repetitionsfrekvens, eftersom dess enda puls innehåller ett stort antal fotoner, kommer den att excitera ett stort antal fotoelektroner på provytan på kort tid, och Coulomb-interaktionen kommer att medföra en betydande utvidgning av fördelningen av fotoelektronernas kinetiska energi, vilket kallas rymdladdningseffekten. För att minska påverkan av rymdladdningseffekten är det nödvändigt att minska fotoelektronerna i varje puls samtidigt som det konstanta fotonflödet bibehålls, så det är nödvändigt att drivalasermed hög repetitionsfrekvens för att producera den extrema ultravioletta ljuskällan med hög repetitionsfrekvens.
Resonansförstärkt kavitetsteknik realiserar generering av höga ordningens övertoner vid MHz-repetitionsfrekvens
För att erhålla en extrem ultraviolett ljuskälla med en repetitionsfrekvens på upp till 60 MHz utförde Jones-teamet vid University of British Columbia i Storbritannien generering av hög ordnings harmonisk ton i en femtosekundresonansförstärkningskavitet (fsEC) för att uppnå en praktisk extrem ultraviolett ljuskälla och tillämpade den på tidsupplösta vinkelupplösta elektronspektroskopiexperiment (Tr-ARPES). Ljuskällan kan leverera ett fotonflöde på mer än 1011 fotonantal per sekund med en enda harmonisk ton vid en repetitionsfrekvens på 60 MHz i energiområdet 8 till 40 eV. De använde ett ytterbiumdopat fiberlasersystem som frökälla för fsEC och kontrollerade pulsegenskaperna genom en anpassad lasersystemdesign för att minimera brus från bärvågshöljets offsetfrekvens (fCEO) och bibehålla goda pulskompressionsegenskaper i slutet av förstärkarkedjan. För att uppnå stabil resonansförstärkning inom fSEC använder de tre servostyrningsslingor för återkopplingsstyrning, vilket resulterar i aktiv stabilisering vid två frihetsgrader: pulscykelns tur- och returtid inom fSEC matchar laserpulsperioden, och fasförskjutningen hos den elektriska fältbärvågen i förhållande till pulsenveloppen (dvs. bärvågens enveloppfas, ϕCEO).
Genom att använda kryptongas som arbetsgas uppnådde forskargruppen generering av högre ordningens övertoner i fsEC. De utförde Tr-ARPES-mätningar av grafit och observerade snabb termiering och efterföljande långsam rekombination av icke-termiskt exciterade elektronpopulationer, såväl som dynamiken i icke-termiskt direkt exciterade tillstånd nära Fermi-nivån över 0,6 eV. Denna ljuskälla är ett viktigt verktyg för att studera den elektroniska strukturen hos komplexa material. Genereringen av högre ordningens övertoner i fsEC har dock mycket höga krav på reflektivitet, dispersionskompensation, finjustering av kavitetslängd och synkroniseringslåsning, vilket i hög grad kommer att påverka förstärkningsmultipliken för den resonansförstärkta kaviteten. Samtidigt är plasmats ickelinjära fasrespons vid kavitetens fokuspunkt också en utmaning. Därför har denna typ av ljuskälla för närvarande inte blivit den vanligaste extrema ultravioletta ljuskällan.hög harmonisk ljuskälla.
Publiceringstid: 29 april 2024