Framsteg inom teknik för extrem ultraviolett ljus

Framsteg inom extrem ultraviolett ljusljuskälla teknik

Under de senaste åren har extrema ultravioletta högharmoniska källor väckt 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, dettaljuskällautvecklas 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 den djupgående studien och förståelsen av extrem ultraviolett ljuskälla med hög repetitionsfrekvens av stor betydelse för att bemästra och tillämpa banbrytande teknologi.

För elektronspektroskopimätningar på femtosekunds- och attosekundsskalor är antalet händelser som mäts i en enda stråle ofta otillräckligt, vilket gör lågfrekvensljuskällor otillräckliga för att få tillförlitlig statistik.Samtidigt kommer ljuskällan med lågt fotonflöde att minska signal-brusförhållandet för mikroskopisk avbildning under den begränsade exponeringstiden.Genom kontinuerlig utforskning och experiment har forskare gjort många förbättringar i utbytesoptimeringen och transmissionsdesignen för extremt ultraviolett ljus med hög repetitionsfrekvens.Den avancerade spektralanalystekniken i kombination med den extrema ultravioletta ljuskällan med hög repetitionsfrekvens har använts för att uppnå högprecisionsmätning av materialstruktur och elektronisk dynamisk process.

Tillämpningar av extrema ultravioletta ljuskällor, såsom mätningar med vinkelupplöst elektronspektroskopi (ARPES), kräver en stråle av extremt ultraviolett ljus för att belysa provet.Elektronerna på provets yta exciteras till det kontinuerliga tillståndet av det extrema ultravioletta ljuset, och fotoelektronernas kinetiska energi och emissionsvinkel innehåller bandstrukturinformationen för provet.Elektronanalysatorn med vinkelupplösningsfunktion tar emot de utstrålade fotoelektronerna och erhåller bandstrukturen nära provets valensband.För extrem ultraviolett ljuskälla 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 åstadkomma en allvarlig breddning av fördelningen av fotoelektronens kinetiska energi, som kallas rymdladdningseffekten.För att minska påverkan av rymdladdningseffekten är det nödvändigt att reducera fotoelektronerna som finns 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.

Resonansförbättrad kavitetsteknologi realiserar genereringen av övertoner av hög ordning vid MHz-repetitionsfrekvens
För att erhålla en extrem ultraviolett ljuskälla med en repetitionshastighet på upp till 60 MHz, utförde Jones-teamet vid University of British Columbia i Storbritannien en övertonsgenerering av hög ordning i en femtosekundsresonansförstärkningskavitet (fsEC) för att uppnå en praktisk extrem ultraviolett ljuskälla och applicerade den på tidsupplösta vinkelupplösta elektronspektroskopi (Tr-ARPES) experiment.Ljuskällan kan leverera ett fotonflöde på mer än 1011 fotontal per sekund med en enda överton vid en repetitionshastighet på 60 MHz i energiområdet 8 till 40 eV.De använde ett ytterbiumdopat fiberlasersystem som en frökälla för fsEC, och kontrollerade pulsegenskaper genom en anpassad lasersystemdesign för att minimera bärarenvelope offset frequency (fCEO) brus och bibehålla goda pulskompressionsegenskaper i slutet av förstärkarkedjan.För att uppnå stabil resonansförbättring inom fsEC använder de tre servokontrollslingor för återkopplingsstyrning, vilket resulterar i aktiv stabilisering vid två frihetsgrader: tur och returtiden för pulscyklerna inom fsEC matchar laserpulsperioden och fasförskjutningen av den elektriska fältbäraren med avseende på pulsenveloppen (dvs bärvågenveloppfasen, ϕCEO).

Genom att använda kryptongas som arbetsgas uppnådde forskargruppen genereringen av övertoner av högre ordning 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 övertoner av hög ordning i fsEC har dock mycket höga krav på reflektivitet, dispersionskompensation, finjustering av kavitetslängd och synkroniseringslåsning, vilket i hög grad kommer att påverka förbättringsmultipeln av den resonansförstärkta kaviteten.Samtidigt är plasmans olinjära fasrespons vid kavitetens brännpunkt också en utmaning.Därför har denna typ av ljuskälla för närvarande inte blivit den vanliga extrema ultravioletta strålenhög harmonisk ljuskälla.