Fortschritte in der Technologie extrem ultravioletter Lichtquellen

Fortschritte im extremen UltraviolettLichtquellentechnologie

In den letzten Jahren haben hochharmonische Quellen im extremen Ultraviolett aufgrund ihrer starken Kohärenz, kurzen Pulsdauer und hohen Photonenenergie große Aufmerksamkeit auf dem Gebiet der Elektronendynamik auf sich gezogen und wurden in verschiedenen Spektral- und Bildgebungsstudien eingesetzt. Mit der Weiterentwicklung der Technologie ist diesLichtquelleentwickelt sich in Richtung höherer Wiederholungsfrequenz, höherem Photonenfluss, höherer Photonenenergie und kürzerer Pulsbreite. Dieser Fortschritt optimiert nicht nur die Messauflösung extrem ultravioletter Lichtquellen, sondern bietet auch neue Möglichkeiten für zukünftige technologische Entwicklungstrends. Daher ist die eingehende Untersuchung und das Verständnis der extrem ultravioletten Lichtquelle mit hoher Wiederholungsfrequenz von großer Bedeutung für die Beherrschung und Anwendung modernster Technologie.

Bei elektronenspektroskopischen Messungen auf Femtosekunden- und Attosekunden-Zeitskalen 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 die Lichtquelle mit geringem Photonenfluss das Signal-Rausch-Verhältnis der mikroskopischen Bildgebung während der begrenzten Belichtungszeit. Durch kontinuierliche Erforschung und Experimente haben Forscher viele Verbesserungen bei der Ertragsoptimierung und dem Übertragungsdesign von extrem ultraviolettem Licht mit hoher Wiederholungsfrequenz erzielt. Die fortschrittliche Spektralanalysetechnologie in Kombination mit der extrem ultravioletten Lichtquelle mit hoher Wiederholungsfrequenz wurde verwendet, um eine hochpräzise Messung der Materialstruktur und des elektronischen dynamischen Prozesses zu erreichen.

Anwendungen extrem ultravioletter Lichtquellen, wie z. B. Messungen der winkelaufgelösten Elektronenspektroskopie (ARPES), erfordern einen Strahl extrem ultravioletten Lichts, um die Probe zu beleuchten. Die Elektronen auf der Oberfläche der Probe werden durch das extrem ultraviolette Licht in den kontinuierlichen Zustand angeregt, und die kinetische Energie und der Emissionswinkel der Photoelektronen enthalten die Bandstrukturinformationen der Probe. Der Elektronenanalysator mit Winkelauflösungsfunktion empfängt die abgestrahlten Photoelektronen und ermittelt die Bandstruktur nahe dem Valenzband der Probe. Bei extrem ultravioletten Lichtquellen mit niedriger Wiederholungsfrequenz regt der einzelne Impuls, da er eine große Anzahl von Photonen enthält, in kurzer Zeit eine große Anzahl von Photoelektronen auf der Probenoberfläche an, und die Coulomb-Wechselwirkung führt zu einer erheblichen Verbreiterung der Verteilung der kinetischen Energie von Photoelektronen, was als Raumladungseffekt bezeichnet wird. 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. Daher ist es notwendig, den anzutreibenLasermit hoher Wiederholfrequenz, um die extrem ultraviolette Lichtquelle mit hoher Wiederholfrequenz 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, führte das Jones-Team an der University of British Columbia im Vereinigten Königreich eine Erzeugung harmonischer Oberwellen höherer Ordnung in einem Femtosekunden-Resonanzverstärkungshohlraum (fsEC) durch, um eine praktische Umsetzung zu erreichen extrem ultraviolette Lichtquelle und wandte sie für zeitaufgelöste winkelaufgelöste Elektronenspektroskopie-Experimente (Tr-ARPES) an. Die Lichtquelle ist in der Lage, einen Photonenfluss von mehr als 1011 Photonenzahlen pro Sekunde mit einer einzelnen Harmonischen bei einer Wiederholungsrate von 60 MHz im Energiebereich von 8 bis 40 eV zu liefern. Sie verwendeten ein Ytterbium-dotiertes Faserlasersystem als Keimquelle für 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 Servoregelkreise zur Rückkopplungssteuerung, was zu einer aktiven Stabilisierung bei zwei Freiheitsgraden führt: Die Umlaufzeit des Pulszyklus innerhalb des fsEC stimmt mit der Laserpulsperiode und der Phasenverschiebung überein des elektrischen Feldträgers in Bezug auf die Impulshüllkurve (dh Trägerhüllkurvenphase, ϕCEO).

Durch die Verwendung von Kryptongas als Arbeitsgas gelang dem Forschungsteam die Erzeugung von Harmonischen höherer Ordnung in fsEC. 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 in der Nähe des Fermi-Niveaus über 0,6 eV. Diese Lichtquelle stellt ein wichtiges Werkzeug zur Untersuchung der elektronischen Struktur komplexer Materialien dar. Die Erzeugung von Harmonischen höherer Ordnung in fsEC stellt jedoch sehr hohe Anforderungen an das Reflexionsvermögen, die Dispersionskompensation, die Feineinstellung der Hohlraumlänge und die Synchronisationsverriegelung, was sich stark auf das Verstärkungsvielfache des resonanzverstärkten Hohlraums auswirkt. Gleichzeitig stellt auch das nichtlineare Phasenverhalten des Plasmas im Brennpunkt des Hohlraums eine Herausforderung dar. Daher ist diese Art von Lichtquelle derzeit nicht zum Mainstream-Extrem-Ultraviolett gewordenhochharmonische Lichtquelle.