Прогрес у технології джерел ультрафіолетового світла

Досягнення в екстремальному ультрафіолетітехнологія джерела світла

Останніми роками джерела ультрафіолетового випромінювання з високими гармоніками привернули широку увагу в галузі електронної динаміки завдяки своїй сильній когерентності, короткій тривалості імпульсу та високій енергії фотонів, і їх використовували в різних спектральних дослідженнях і дослідженнях зображень. З розвитком технологій цеджерело світларозвивається в напрямку вищої частоти повторення, вищого потоку фотонів, вищої енергії фотонів і меншої тривалості імпульсу. Цей прогрес не тільки оптимізує роздільну здатність вимірювань джерел екстремального ультрафіолетового світла, але й надає нові можливості для майбутніх тенденцій технологічного розвитку. Таким чином, поглиблене вивчення та розуміння джерела екстремального ультрафіолетового світла з високою частотою повторення має велике значення для освоєння та застосування передових технологій.

Для вимірювань електронної спектроскопії на фемтосекундному та аттосекундному масштабах часу кількість подій, виміряних в одному промені, часто недостатня, що робить джерела світла з низькою частотою недостатніми для отримання надійної статистики. У той же час джерело світла з низьким потоком фотонів зменшить відношення сигнал/шум мікроскопічного зображення протягом обмеженого часу експозиції. Завдяки безперервним дослідженням і експериментам дослідники внесли багато покращень в оптимізацію врожайності та дизайн передачі екстремального ультрафіолетового світла з високою частотою повторення. Удосконалена технологія спектрального аналізу в поєднанні з джерелом ультрафіолетового світла з високою частотою повторення була використана для досягнення високої точності вимірювання структури матеріалу та електронного динамічного процесу.

Застосування джерел екстремального ультрафіолетового світла, наприклад вимірювання електронної спектроскопії з кутовою роздільною здатністю (ARPES), потребує пучка екстремального ультрафіолетового світла для освітлення зразка. Електрони на поверхні зразка збуджуються до безперервного стану екстремальним ультрафіолетовим світлом, а кінетична енергія та кут випромінювання фотоелектронів містять інформацію про зонну структуру зразка. Аналізатор електронів із функцією кутової роздільної здатності приймає випромінювані фотоелектрони та отримує зонну структуру поблизу валентної зони зразка. Для джерела екстремального ультрафіолетового світла з низькою частотою повторення, оскільки його одиничний імпульс містить велику кількість фотонів, він збудить велику кількість фотоелектронів на поверхні зразка за короткий час, а кулонівська взаємодія призведе до серйозного розширення розподілу. кінетичної енергії фотоелектронів, що називається ефектом просторового заряду. Щоб зменшити вплив ефекту просторового заряду, необхідно зменшити фотоелектрони, що містяться в кожному імпульсі, зберігаючи постійний потік фотонів, тому необхідно керуватилазерз високою частотою повторення для створення екстремального джерела ультрафіолетового світла з високою частотою повторення.

Технологія резонатора з посиленим резонансом реалізує генерацію гармонік високого порядку на частоті повторення МГц
Щоб отримати екстремальне джерело ультрафіолетового світла з частотою повторення до 60 МГц, команда Джонса з Університету Британської Колумбії у Сполученому Королівстві виконала генерацію гармонік високого порядку в резонаторі фемтосекундного резонансу (fsEC), щоб досягти практичного результату. джерело екстремального ультрафіолетового світла та застосував його до експериментів електронної спектроскопії з кутовою роздільною здатністю (Tr-ARPES). Джерело світла здатне видавати потік фотонів понад 1011 чисел фотонів за секунду з однією гармонікою з частотою повторення 60 МГц в діапазоні енергій від 8 до 40 еВ. Вони використовували леговану ітербієм волоконну лазерну систему як початкове джерело для fsEC і керували характеристиками імпульсу за допомогою індивідуальної конструкції лазерної системи, щоб мінімізувати шум зсуву несучої огинаючої частоти (fCEO) і підтримувати хороші характеристики стиснення імпульсу в кінці ланцюга підсилювача. Щоб досягти стабільного посилення резонансу в межах fsEC, вони використовують три контури керування сервоприводом для керування зворотним зв’язком, що призводить до активної стабілізації на двох ступенях свободи: час проходження циклічного імпульсу всередині fsEC відповідає періоду лазерного імпульсу, а фазовий зсув носія електричного поля відносно огинаючої імпульсу (тобто фази огинаючої несучої, ϕCEO).

Використовуючи газ криптон як робочий газ, дослідницька група досягла генерації гармонік вищого порядку в fsEC. Вони виконали вимірювання графіту за допомогою Tr-ARPES і спостерігали швидку терміацію та подальшу повільну рекомбінацію популяцій нетермічно збуджених електронів, а також динаміку нетермічно збуджених станів поблизу рівня Фермі вище 0,6 еВ. Це джерело світла є важливим інструментом для вивчення електронної структури складних матеріалів. Однак генерація гармонік високого порядку в fsEC має дуже високі вимоги до відбивної здатності, компенсації дисперсії, точного регулювання довжини резонатора та блокування синхронізації, що значно вплине на кратне посилення резонансно-підсиленого резонатора. У той же час нелінійна фазова характеристика плазми в фокальній точці резонатора також є проблемою. Тому на даний момент цей вид джерела світла не став основним екстремальним ультрафіолетомджерело високого гармонічного світла.