Fortschritte im Bereich des extremen UltraviolettsLichtquellentechnologie
In den letzten Jahren haben extrem ultraviolette Hochharmonischequellen aufgrund ihrer starken Kohärenz, kurzen Pulsdauer und hohen Photonenenergie große Aufmerksamkeit im Bereich der Elektronendynamik erregt und wurden in verschiedenen spektralen und bildgebenden Untersuchungen eingesetzt. Mit dem technologischen FortschrittLichtquelleDie Entwicklung geht hin zu höheren Wiederholfrequenzen, höheren Photonenflüssen, höheren Photonenenergien und kürzeren Pulsdauern. Dieser Fortschritt optimiert nicht nur die Messauflösung von extremen ultravioletten Lichtquellen, sondern eröffnet auch neue Möglichkeiten für zukünftige technologische Entwicklungen. Daher ist die eingehende Untersuchung und das Verständnis von extremen ultravioletten Lichtquellen mit hoher Wiederholfrequenz von großer Bedeutung für die Beherrschung und Anwendung modernster Technologien.
Für Elektronenspektroskopie-Messungen im Femtosekunden- und Attosekundenbereich ist die Anzahl der in einem einzelnen Strahl gemessenen Ereignisse oft unzureichend, sodass Lichtquellen mit niedriger Wiederholfrequenz für eine zuverlässige Statistik nicht ausreichen. Gleichzeitig reduziert eine Lichtquelle mit geringem Photonenfluss das Signal-Rausch-Verhältnis der mikroskopischen Bildgebung während der begrenzten Belichtungszeit. Durch kontinuierliche Forschung und Experimente konnten Wissenschaftler die Ausbeuteoptimierung und das Transmissionsdesign von extrem ultraviolettem Licht mit hoher Wiederholfrequenz deutlich verbessern. Die fortschrittliche Spektralanalysetechnologie in Kombination mit der extrem ultravioletten Lichtquelle mit hoher Wiederholfrequenz ermöglicht hochpräzise Messungen der Materialstruktur und elektronischer Dynamikprozesse.
Anwendungen von extrem ultravioletten Lichtquellen, wie beispielsweise die winkelaufgelöste Elektronenspektroskopie (ARPES), erfordern einen Strahl extrem ultravioletten Lichts zur Beleuchtung der Probe. Die Elektronen an der Probenoberfläche werden durch das extreme ultraviolette Licht in einen kontinuierlichen Zustand angeregt. Die kinetische Energie und der Emissionswinkel der Photoelektronen enthalten Informationen über die Bandstruktur der Probe. Der Elektronenanalysator mit Winkelauflösung empfängt die emittierten Photoelektronen und ermittelt die Bandstruktur in der Nähe des Valenzbandes der Probe. Bei extrem ultravioletten Lichtquellen mit niedriger Wiederholfrequenz enthält ein einzelner Puls eine große Anzahl von Photonen. Dadurch werden in kurzer Zeit viele Photoelektronen an der Probenoberfläche angeregt. Die Coulomb-Wechselwirkung führt zu einer deutlichen Verbreiterung der Verteilung der kinetischen Energie der Photoelektronen, dem sogenannten Raumladungseffekt. Um den Einfluss des Raumladungseffekts zu reduzieren, muss die Anzahl der Photoelektronen pro Puls bei konstantem Photonenfluss verringert werden. Daher ist es notwendig, die Anregungsfrequenz der Probe zu erhöhen.Lasermit hoher Wiederholungsfrequenz zur Erzeugung der extremen ultravioletten Lichtquelle mit hoher Wiederholungsfrequenz.
Die resonanzverstärkte Hohlraumtechnologie ermöglicht die Erzeugung von Harmonischen höherer Ordnung bei einer Wiederholfrequenz im MHz-Bereich.
Um eine extrem ultraviolette Lichtquelle mit einer Wiederholrate von bis zu 60 MHz zu erhalten, nutzte das Team um Jones an der University of British Columbia (UK) die Erzeugung hoher Harmonischer in einem Femtosekunden-Resonanzresonator (fsEC). Ziel war es, eine praxistaugliche extrem ultraviolette Lichtquelle zu realisieren und diese für zeitaufgelöste winkelaufgelöste Elektronenspektroskopie (Tr-ARPES) einzusetzen. Die Lichtquelle liefert einen Photonenfluss von über 1011 Photonen pro Sekunde mit einer einzelnen Harmonischen bei einer Wiederholrate von 60 MHz im Energiebereich von 8 bis 40 eV. Als Seed-Quelle für den fsEC verwendeten die Forscher ein Ytterbium-dotiertes Faserlasersystem und optimierten die Pulscharakteristik durch ein speziell angepasstes Lasersystemdesign. Dadurch konnten sie das Rauschen der Trägerhüllkurven-Offsetfrequenz (fCEO) minimieren und eine gute Pulskompression am Ende der Verstärkerkette gewährleisten. Um eine stabile Resonanzverstärkung innerhalb des fsEC zu erreichen, verwenden sie drei Servoregelschleifen zur Rückkopplungsregelung, was zu einer aktiven Stabilisierung an zwei Freiheitsgraden führt: Die Umlaufzeit des Pulszyklus innerhalb des fsEC entspricht der Laserpulsperiode, und die Phasenverschiebung des elektrischen Feldträgers in Bezug auf die Pulshüllkurve (d. h. Trägerhüllkurvenphase, ϕCEO).
Durch die Verwendung von Krypton als Arbeitsgas gelang es dem Forschungsteam, höhere Harmonische in einem Femtosekunden-Elektronenkonverter (fsEC) zu erzeugen. Sie führten zeitaufgelöste ARPES-Messungen an Graphit durch und beobachteten die schnelle Thermierung und die anschließende langsame Rekombination nicht-thermisch angeregter Elektronenpopulationen sowie die Dynamik nicht-thermisch direkt angeregter Zustände nahe dem Fermi-Niveau oberhalb von 0,6 eV. Diese Lichtquelle stellt ein wichtiges Werkzeug zur Untersuchung der elektronischen Struktur komplexer Materialien dar. Die Erzeugung höherer Harmonischer in fsEC erfordert jedoch sehr hohe Anforderungen an Reflektivität, Dispersionskompensation, Feinjustierung der Resonatorlänge und Synchronisation, was die Verstärkung des resonanzverstärkten Resonators erheblich beeinflusst. Gleichzeitig stellt die nichtlineare Phasenantwort des Plasmas im Brennpunkt des Resonators eine Herausforderung dar. Daher hat sich diese Art von Lichtquelle derzeit noch nicht als Standard im extremen Ultraviolettbereich etabliert.Lichtquelle mit hoher Harmonischer.
Veröffentlichungsdatum: 29. April 2024