Avances na tecnoloxía de fontes de luz ultravioleta extrema

Avances no ultravioleta extremotecnoloxía de fonte de luz

Nos últimos anos, as fontes de altos harmónicos ultravioleta extremo atraeron unha ampla atención no campo da dinámica electrónica debido á súa forte coherencia, curta duración do pulso e alta enerxía fotónica, e foron empregadas en varios estudos espectrais e de imaxe. Co avance da tecnoloxía, istofonte de luzestá a desenvolverse cara a unha maior frecuencia de repetición, un maior fluxo de fotóns, unha maior enerxía de fotóns e unha maior amplitude de pulso. Este avance non só optimiza a resolución de medición das fontes de luz ultravioleta extrema, senón que tamén ofrece novas posibilidades para as futuras tendencias de desenvolvemento tecnolóxico. Polo tanto, o estudo e a comprensión en profundidade das fontes de luz ultravioleta extrema de alta frecuencia de repetición son de grande importancia para dominar e aplicar tecnoloxía de vangarda.

Para as medicións de espectroscopia electrónica en escalas de tempo de femtosegundos e atosegundos, o número de eventos medidos nun só feixe adoita ser insuficiente, o que fai que as fontes de luz de baixa refrecuencia sexan insuficientes para obter estatísticas fiables. Ao mesmo tempo, a fonte de luz con baixo fluxo de fotóns reducirá a relación sinal-ruído das imaxes microscópicas durante o tempo de exposición limitado. Mediante a exploración e os experimentos continuos, os investigadores realizaron moitas melloras na optimización do rendemento e no deseño de transmisión da luz ultravioleta extrema de alta frecuencia de repetición. A tecnoloxía avanzada de análise espectral combinada coa fonte de luz ultravioleta extrema de alta frecuencia de repetición utilizouse para lograr unha medición de alta precisión da estrutura do material e do proceso dinámico electrónico.

As aplicacións das fontes de luz ultravioleta extrema, como as medicións de espectroscopia electrónica resolta angular (ARPES), requiren un feixe de luz ultravioleta extrema para iluminar a mostra. Os electróns na superficie da mostra son excitados ao estado continuo pola luz ultravioleta extrema, e a enerxía cinética e o ángulo de emisión dos fotoelectróns conteñen a información da estrutura da banda da mostra. O analizador de electróns con función de resolución angular recibe os fotoelectróns radiados e obtén a estrutura da banda preto da banda de valencia da mostra. Para a fonte de luz ultravioleta extrema de baixa frecuencia de repetición, debido a que o seu único pulso contén un gran número de fotóns, excitará un gran número de fotoelectróns na superficie da mostra nun curto período de tempo, e a interacción de Coulomb provocará un importante ensanchamento da distribución da enerxía cinética dos fotoelectróns, o que se denomina efecto de carga espacial. Para reducir a influencia do efecto de carga espacial, é necesario reducir os fotoelectróns contidos en cada pulso mantendo o fluxo de fotóns constante, polo que é necesario impulsar olásercon alta frecuencia de repetición para producir a fonte de luz ultravioleta extrema con alta frecuencia de repetición.

A tecnoloxía de cavidade mellorada por resonancia permite a xeración de harmónicos de alta orde a unha frecuencia de repetición de MHz
Para obter unha fonte de luz ultravioleta extrema cunha taxa de repetición de ata 60 MHz, o equipo de Jones da Universidade da Columbia Británica no Reino Unido realizou a xeración de harmónicos de alta orde nunha cavidade de mellora da resonancia de femtosegundos (fsEC) para conseguir unha fonte de luz ultravioleta extrema práctica e aplicouna a experimentos de espectroscopia electrónica de resolución angular resolta no tempo (Tr-ARPES). A fonte de luz é capaz de fornecer un fluxo de fotóns de máis de 1011 números de fotóns por segundo cun único harmónico a unha taxa de repetición de 60 MHz no rango de enerxía de 8 a 40 eV. Empregaron un sistema láser de fibra dopado con iterbio como fonte inicial para a fsEC e controlaron as características do pulso mediante un deseño de sistema láser personalizado para minimizar o ruído de frecuencia de desprazamento da envolvente portadora (fCEO) e manter boas características de compresión de pulso ao final da cadea de amplificación. Para lograr unha mellora estable da resonancia dentro do fsEC, empregan tres bucles de servocontrol para o control de retroalimentación, o que resulta nunha estabilización activa en dous graos de liberdade: o tempo de ida e volta do ciclo de pulsos dentro do fsEC coincide co período do pulso láser e o desprazamento de fase da portadora do campo eléctrico con respecto á envolvente do pulso (é dicir, a fase da envolvente da portadora, ϕCEO).

Usando gas criptón como gas de traballo, o equipo de investigación conseguiu a xeración de harmónicos de orde superior en fsEC. Realizaron medicións Tr-ARPES de grafito e observaron unha termización rápida e a posterior recombinación lenta de poboacións de electróns non excitadas termicamente, así como a dinámica de estados non excitados termicamente directamente preto do nivel de Fermi por riba de 0,6 eV. Esta fonte de luz proporciona unha ferramenta importante para estudar a estrutura electrónica de materiais complexos. Non obstante, a xeración de harmónicos de orde superior en fsEC ten requisitos moi elevados de reflectividade, compensación de dispersión, axuste fino da lonxitude da cavidade e bloqueo de sincronización, o que afectará en gran medida o múltiplo de mellora da cavidade mellorada por resonancia. Ao mesmo tempo, a resposta de fase non lineal do plasma no punto focal da cavidade tamén é un desafío. Polo tanto, na actualidade, este tipo de fonte de luz non se converteu na fonte ultravioleta extrema principal.fonte de luz de alto harmónico.