Fremskridt inden for ekstrem ultraviolet strålinglyskildeteknologi
I de senere år har ekstreme ultraviolette højharmoniske kilder tiltrukket sig stor opmærksomhed inden for elektrondynamik på grund af deres stærke kohærens, korte pulsvarighed og høje fotonenergi, og de er blevet brugt i forskellige spektrale og billeddannelsesundersøgelser. Med teknologiens fremskridt har dette...lyskildeudvikler sig mod højere repetitionsfrekvens, højere fotonflux, højere fotonenergi og kortere pulsbredde. Dette fremskridt optimerer ikke kun måleopløsningen af ekstreme ultraviolette lyskilder, men giver også nye muligheder for fremtidige teknologiske udviklingstendenser. Derfor er et dybdegående studie og en forståelse af ekstreme ultraviolette lyskilder med høj repetitionsfrekvens af stor betydning for at mestre og anvende banebrydende teknologi.
Ved elektronspektroskopimålinger på femtosekund- og attosekundtidsskalaer er antallet af hændelser målt i en enkelt stråle ofte utilstrækkeligt, hvilket gør lavfrekvente lyskilder utilstrækkelige til at opnå pålidelig statistik. Samtidig vil lyskilder med lav fotonflux reducere signal-støj-forholdet i mikroskopisk billeddannelse i løbet af den begrænsede eksponeringstid. Gennem kontinuerlig udforskning og eksperimenter har forskere foretaget mange forbedringer i udbytteoptimering og transmissionsdesign af ekstrem ultraviolet lys med høj repetitionsfrekvens. Den avancerede spektralanalyseteknologi kombineret med den ekstreme ultraviolette lyskilde med høj repetitionsfrekvens er blevet brugt til at opnå højpræcisionsmåling af materialestruktur og elektroniske dynamiske processer.
Anvendelser af ekstreme ultraviolette lyskilder, såsom vinkelopløst elektronspektroskopi (ARPES) målinger, kræver en stråle af ekstremt ultraviolet lys for at belyse prøven. Elektronerne på prøvens overflade exciteres til kontinuerlig tilstand af det ekstreme ultraviolette lys, og fotoelektronernes kinetiske energi og emissionsvinkel indeholder information om prøvens båndstruktur. Elektronanalysatoren med vinkelopløsningsfunktion modtager de udstrålede fotoelektroner og opnår båndstrukturen nær prøvens valensbånd. For ekstreme ultraviolette lyskilder med lav repetitionsfrekvens, fordi dens enkelte puls indeholder et stort antal fotoner, vil den excitere et stort antal fotoelektroner på prøveoverfladen på kort tid, og Coulomb-interaktionen vil medføre en betydelig udvidelse af fordelingen af fotoelektronernes kinetiske energi, hvilket kaldes rumladningseffekten. For at reducere indflydelsen af rumladningseffekten er det nødvendigt at reducere fotoelektronerne i hver puls, samtidig med at den konstante fotonflux opretholdes, så det er nødvendigt at drivelasermed høj repetitionsfrekvens for at producere den ekstreme ultraviolette lyskilde med høj repetitionsfrekvens.
Resonansforbedret kavitetsteknologi realiserer generering af harmoniske af højere orden ved MHz-repetitionsfrekvens
For at opnå en ekstrem ultraviolet lyskilde med en repetitionshastighed på op til 60 MHz udførte Jones-teamet ved University of British Columbia i Storbritannien generering af højordens harmoniske frekvenser i et femtosekund resonansforstærkningskavitet (fsEC) for at opnå en praktisk ekstrem ultraviolet lyskilde og anvendte den til tidsopløste vinkelopløste elektronspektroskopieksperimenter (Tr-ARPES). Lyskilden er i stand til at levere en fotonflux på mere end 1011 fotonantal pr. sekund med en enkelt harmonisk frekvens ved en repetitionshastighed på 60 MHz i energiområdet 8 til 40 eV. De brugte et ytterbiumdoteret fiberlasersystem som frøkilde til fsEC og kontrollerede pulskarakteristika gennem et tilpasset lasersystemdesign for at minimere støj fra bærebølgeforskydningsfrekvens (fCEO) og opretholde gode pulskompressionsegenskaber i slutningen af forstærkerkæden. For at opnå stabil resonansforbedring i fSEC bruger de tre servostyringsløkker til feedback-kontrol, hvilket resulterer i aktiv stabilisering ved to frihedsgrader: pulscyklussens rundtur i fSEC matcher laserpulsperioden, og faseforskydningen af den elektriske feltbærer i forhold til pulsindhyllingskurven (dvs. bærerindhyllingsfase, ϕCEO).
Ved at bruge krypton-gas som arbejdsgas opnåede forskerholdet generering af højere ordens harmoniske i fsEC. De udførte Tr-ARPES-målinger af grafit og observerede hurtig termiering og efterfølgende langsom rekombination af ikke-termisk exciterede elektronpopulationer, samt dynamikken i ikke-termisk direkte exciterede tilstande nær Fermi-niveauet over 0,6 eV. Denne lyskilde er et vigtigt værktøj til at studere den elektroniske struktur af komplekse materialer. Generering af højere ordens harmoniske i fsEC stiller dog meget høje krav til reflektivitet, dispersionskompensation, finjustering af kavitetslængde og synkroniseringslåsning, hvilket i høj grad vil påvirke forstærkningsmultiplet af det resonansforstærkede kavitet. Samtidig er plasmaets ikke-lineære faserespons i kavitets fokuspunkt også en udfordring. Derfor er denne type lyskilde på nuværende tidspunkt ikke blevet den mainstream ekstreme ultraviolette lyskilde.høj harmonisk lyskilde.
Opslagstidspunkt: 29. april 2024