Vooruitgang in extreem ultravioletlichtbrontechnologie
De laatste jaren hebben extreem ultraviolette bronnen met hoge harmonischen veel aandacht getrokken in de elektronendynamica vanwege hun sterke coherentie, korte pulsduur en hoge fotonenergie. Ze zijn gebruikt in diverse spectrale en beeldvormende studies. Met de vooruitgang van de technologie is ditlichtbronevolueert naar een hogere herhalingsfrequentie, hogere fotonenflux, hogere fotonenergie en kortere pulsbreedte. Deze vooruitgang optimaliseert niet alleen de meetresolutie van extreem ultraviolette lichtbronnen, maar biedt ook nieuwe mogelijkheden voor toekomstige technologische ontwikkelingen. Daarom is diepgaande studie en begrip van extreem ultraviolette lichtbronnen met een hoge herhalingsfrequentie van groot belang voor het beheersen en toepassen van geavanceerde technologie.
Voor elektronenspectroscopiemetingen op femtoseconde- en attosecondetijdschalen is het aantal gebeurtenissen dat in één bundel wordt gemeten vaak onvoldoende, waardoor lichtbronnen met een lage frequentie onvoldoende zijn om betrouwbare statistieken te verkrijgen. Tegelijkertijd zal een lichtbron met een lage fotonenflux de signaal-ruisverhouding van microscopische beeldvorming verminderen tijdens de beperkte belichtingstijd. Door voortdurende verkenning en experimenten hebben onderzoekers veel verbeteringen aangebracht in de opbrengstoptimalisatie en het transmissieontwerp van extreem ultraviolet licht met een hoge herhalingsfrequentie. De geavanceerde spectrale analysetechnologie, gecombineerd met de extreem ultraviolet lichtbron met een hoge herhalingsfrequentie, is gebruikt om een zeer nauwkeurige meting van de materiaalstructuur en het elektronische dynamische proces te bereiken.
Toepassingen van extreem ultraviolet lichtbronnen, zoals hoekige opgeloste elektronenspectroscopie (ARPES), vereisen een bundel extreem ultraviolet licht om het monster te belichten. De elektronen op het oppervlak van het monster worden door het extreem ultraviolet licht geëxciteerd tot een continue toestand, en de kinetische energie en emissiehoek van de foto-elektronen bevatten de bandstructuurinformatie van het monster. De elektronenanalysator met hoekresolutiefunctie ontvangt de uitgestraalde foto-elektronen en verkrijgt de bandstructuur nabij de valentieband van het monster. Omdat een extreem ultraviolet lichtbron met een lage herhalingsfrequentie een groot aantal fotonen bevat, zal deze in korte tijd een groot aantal foto-elektronen op het monsteroppervlak exciteren, en de Coulomb-interactie zal een aanzienlijke verbreding van de verdeling van de foto-elektronenkinetische energie veroorzaken, wat het ruimteladingseffect wordt genoemd. Om de invloed van het ruimteladingseffect te verminderen, is het noodzakelijk om het aantal foto-elektronen in elke puls te verminderen, terwijl de fotonenflux constant blijft. Daarom is het noodzakelijk om delasermet een hoge herhalingsfrequentie om de extreme ultraviolette lichtbron met een hoge herhalingsfrequentie te produceren.
Dankzij de resonantieversterkte holtetechnologie worden harmonischen van hoge orde gegenereerd bij een herhalingsfrequentie van MHz.
Om een extreem ultraviolette lichtbron met een herhalingsfrequentie tot 60 MHz te verkrijgen, voerde het Jones-team van de University of British Columbia in het Verenigd Koninkrijk harmonischengeneratie van hoge orde uit in een femtoseconde resonantieversterkingsholte (fsEC). Deze praktische lichtbron werd vervolgens toegepast op Tr-ARPES-experimenten (time-resolved angular resolved electron spectroscopie). De lichtbron kan een fotonenflux van meer dan 1011 foton per seconde leveren met één harmonische bij een herhalingsfrequentie van 60 MHz in het energiebereik van 8 tot 40 eV. Ze gebruikten een met ytterbium gedoteerd fiberlasersysteem als startbron voor fsEC en controleerden de pulskarakteristieken via een aangepast lasersysteemontwerp om de ruis van de draaggolf-offsetfrequentie (fCEO) te minimaliseren en goede pulscompressiekarakteristieken aan het einde van de versterkerketen te behouden. Om stabiele resonantieverbetering binnen de fsEC te bereiken, gebruiken ze drie servoregellussen voor feedbackregeling, wat resulteert in actieve stabilisatie bij twee vrijheidsgraden: de retourtijd van de pulscyclus binnen de fsEC komt overeen met de laserpulsperiode en de faseverschuiving van de elektrische velddrager ten opzichte van de pulsomhullende (d.w.z. draaggolfomhullendefase, ϕCEO).
Door kryptongas als werkgas te gebruiken, slaagde het onderzoeksteam erin hogere-orde harmonischen te genereren in fsEC. Ze voerden Tr-ARPES-metingen uit van grafiet en observeerden snelle thermisatie en daaropvolgende langzame recombinatie van niet-thermisch geëxciteerde elektronenpopulaties, evenals de dynamiek van niet-thermisch direct geëxciteerde toestanden nabij het ferminiveau boven 0,6 eV. Deze lichtbron biedt een belangrijk hulpmiddel voor het bestuderen van de elektronische structuur van complexe materialen. Het genereren van hogere-orde harmonischen in fsEC stelt echter zeer hoge eisen aan reflectiviteit, dispersiecompensatie, nauwkeurige afstelling van de holtelengte en synchronisatievergrendeling, wat de verbeteringsmultiple van de resonantieversterkte holte sterk zal beïnvloeden. Tegelijkertijd vormt de niet-lineaire faserespons van het plasma in het brandpunt van de holte ook een uitdaging. Daarom is dit type lichtbron momenteel nog niet de gangbare extreem-ultraviolet-lichtbron.hoge harmonische lichtbron.
Plaatsingstijd: 29-04-2024