Fortschritte im extremen UltraviolettLichtquellentechnologie
In den letzten Jahren haben extrem ultraviolette Hochharmonische Quellen aufgrund ihrer starken Kohärenz, kurzen Pulsdauer und hohen Photonenenergie große Aufmerksamkeit auf dem Gebiet der Elektronendynamik erregt und wurden in verschiedenen Spektral- und Bildgebungsstudien eingesetzt. Mit dem Fortschritt der TechnologieLichtquelleDie Entwicklung geht in Richtung höherer Wiederholungsfrequenz, höherem Photonenfluss, höherer Photonenenergie und kürzerer Pulsbreite. Dieser Fortschritt optimiert nicht nur die Messauflösung von extrem ultravioletten Lichtquellen, sondern eröffnet auch neue Möglichkeiten für zukünftige technologische Entwicklungstrends. Daher ist die eingehende Untersuchung und das Verständnis von extrem ultravioletten Lichtquellen mit hoher Wiederholungsfrequenz von großer Bedeutung für die Beherrschung und Anwendung modernster Technologie.
Für Elektronenspektroskopiemessungen im Femtosekunden- und Attosekundenbereich reicht die Anzahl der in einem einzelnen Strahl gemessenen Ereignisse oft nicht aus, sodass Lichtquellen mit niedriger Frequenz nicht ausreichen, um zuverlässige Statistiken zu erhalten. Gleichzeitig verringert eine Lichtquelle mit niedrigem Photonenfluss das Signal-Rausch-Verhältnis der mikroskopischen Abbildung während der begrenzten Belichtungszeit. Durch kontinuierliche Forschung und Experimente konnten Forscher die Ausbeute und das Übertragungsdesign von extrem ultraviolettem Licht mit hoher Frequenz (HFR) deutlich verbessern. Die fortschrittliche Spektralanalysetechnologie in Kombination mit der HFR-Lichtquelle (HFR) ermöglicht hochpräzise Messungen der Materialstruktur und elektronischer dynamischer Prozesse.
Anwendungen von Ultraviolettlichtquellen, wie z. B. die Winkelaufgelöste Elektronenspektroskopie (ARPES), benötigen einen Ultraviolettlichtstrahl zur Beleuchtung der Probe. Die Elektronen auf der Probenoberfläche werden durch das Ultraviolettlicht in einen kontinuierlichen Zustand angeregt, wobei die kinetische Energie und der Emissionswinkel der Photoelektronen Informationen über die Bandstruktur der Probe enthalten. Der Elektronenanalysator mit Winkelauflösung empfängt die abgestrahlten Photoelektronen und ermittelt die Bandstruktur nahe dem Valenzband der Probe. Bei einer Ultraviolettlichtquelle mit niedriger Wiederholungsfrequenz regt sie aufgrund der hohen Photonenanzahl ihres Einzelimpulses in kurzer Zeit eine große Anzahl von Photoelektronen auf der Probenoberfläche an. Die Coulomb-Wechselwirkung führt zu einer deutlichen Aufweitung der Verteilung der kinetischen Energie der Photoelektronen, dem sogenannten Raumladungseffekt. Um den Einfluss des Raumladungseffekts zu reduzieren, ist es notwendig, die in jedem Impuls enthaltenen Photoelektronen zu reduzieren und gleichzeitig den Photonenfluss konstant zu halten. Dazu ist es notwendig,Lasermit hoher Wiederholungsfrequenz, um die extrem ultraviolette Lichtquelle mit hoher Wiederholungsfrequenz zu erzeugen.
Die resonanzverstärkte Hohlraumtechnologie ermöglicht die Erzeugung von Harmonischen höherer Ordnung bei einer MHz-Wiederholungsfrequenz
Um eine extrem ultraviolette Lichtquelle mit einer Wiederholungsrate von bis zu 60 MHz zu erhalten, erzeugte das Jones-Team an der University of British Columbia in Großbritannien Harmonische höherer Ordnung in einer Femtosekunden-Resonanzverstärkungskavität (fsEC). Diese Methode wurde für Experimente mit zeitaufgelöster winkelaufgelöster Elektronenspektroskopie (Tr-ARPES) eingesetzt. Die Lichtquelle kann einen Photonenfluss von mehr als 1011 Photonen pro Sekunde mit einer einzigen Harmonischen bei einer Wiederholungsrate von 60 MHz im Energiebereich von 8 bis 40 eV liefern. Sie verwendeten ein Ytterbium-dotiertes Faserlasersystem als Saatquelle für die fsEC und kontrollierten die Pulseigenschaften durch ein maßgeschneidertes Lasersystemdesign, um das Rauschen der Carrier Envelope Offset Frequency (fCEO) zu minimieren und gute Pulskompressionseigenschaften am Ende der Verstärkerkette aufrechtzuerhalten. Um eine stabile Resonanzverstärkung innerhalb des fsEC zu erreichen, verwenden sie drei Servo-Regelkreise zur Rückkopplungssteuerung, was zu einer aktiven Stabilisierung in zwei Freiheitsgraden führt: Die Umlaufzeit des Impulszyklus innerhalb des fsEC entspricht der Laserimpulsperiode und der Phasenverschiebung des elektrischen Feldträgers in Bezug auf die Impulshüllkurve (d. h. Trägerhüllkurvenphase, ϕCEO).
Durch die Verwendung von Kryptongas als Arbeitsgas gelang es dem Forschungsteam, höhere Harmonische in fsEC zu erzeugen. Sie führten Tr-ARPES-Messungen an Graphit durch und beobachteten eine schnelle Thermisierung und 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 ist ein wichtiges Instrument zur Untersuchung der elektronischen Struktur komplexer Materialien. Die Erzeugung höherer Harmonischer in fsEC stellt jedoch sehr hohe Anforderungen an Reflektivität, Dispersionskompensation, Feineinstellung der Resonatorlänge und Synchronisationsverriegelung, was den Verstärkungsfaktor des resonanzverstärkten Resonators stark beeinflusst. Gleichzeitig stellt die nichtlineare Phasenantwort des Plasmas im Brennpunkt des Resonators eine Herausforderung dar. Daher hat sich diese Lichtquelle derzeit noch nicht als Standard für extrem ultraviolettes Licht etabliert.Lichtquelle mit hoher Harmonischer.
Veröffentlichungszeit: 29. April 2024