Sasniegumi ekstremālo ultravioleto gaismas avotu tehnoloģijā

Sasniegumi ekstremālā ultravioletā starojuma jomāgaismas avota tehnoloģija

Pēdējos gados elektronu dinamikas jomā plašu uzmanību ir piesaistījuši ekstremāli ultravioletā starojuma augstas harmonikas avoti, pateicoties to spēcīgajai koherencei, īsajam impulsa ilgumam un augstajai fotonu enerģijai, un tie ir izmantoti dažādos spektrālajos un attēlveidošanas pētījumos. Attīstoties tehnoloģijai, šisgaismas avotsattīstās virzienā uz augstāku atkārtošanās frekvenci, augstāku fotonu plūsmu, augstāku fotonu enerģiju un īsāku impulsa platumu. Šis sasniegums ne tikai optimizē ekstremāli ultravioletās gaismas avotu mērījumu izšķirtspēju, bet arī paver jaunas iespējas turpmākajām tehnoloģiju attīstības tendencēm. Tāpēc padziļināta augstas atkārtošanās frekvences ekstremāli ultravioletās gaismas avotu izpēte un izpratne ir ļoti svarīga, lai apgūtu un pielietotu jaunākās tehnoloģijas.

Elektronu spektroskopijas mērījumiem femtosekundes un attosekundes laika skalā vienā starā izmērīto notikumu skaits bieži vien ir nepietiekams, padarot zemas refrekvences gaismas avotus nepietiekamus, lai iegūtu ticamu statistiku. Tajā pašā laikā gaismas avots ar zemu fotonu plūsmu ierobežotā ekspozīcijas laikā samazinās mikroskopiskā attēlveidošanas signāla un trokšņa attiecību. Nepārtraukti veicot izpēti un eksperimentus, pētnieki ir veikuši daudzus uzlabojumus augstas atkārtošanās frekvences ekstremāli ultravioletā starojuma ražas optimizācijā un pārraides projektēšanā. Uzlabotā spektrālās analīzes tehnoloģija apvienojumā ar augstas atkārtošanās frekvences ekstremāli ultravioletā starojuma avotu ir izmantota, lai panāktu materiāla struktūras un elektroniskā dinamiskā procesa augstas precizitātes mērījumus.

Ekstrēmas ultravioletās gaismas avotu pielietojumos, piemēram, leņķiskās izšķirtspējas elektronu spektroskopijas (ARPES) mērījumos, parauga apgaismošanai ir nepieciešams ekstrēmas ultravioletās gaismas stars. Parauga virsmas elektroni tiek ierosināti nepārtrauktā stāvoklī ar ekstrēmo ultravioleto gaismu, un fotoelektronu kinētiskā enerģija un emisijas leņķis satur informāciju par parauga joslu struktūru. Elektronu analizators ar leņķa izšķirtspējas funkciju uztver izstarotos fotoelektronus un iegūst joslu struktūru parauga valences joslas tuvumā. Zemas atkārtošanās frekvences ekstrēmas ultravioletās gaismas avotam, tā kā tā viens impulss satur lielu fotonu skaitu, tas īsā laikā ierosinās lielu skaitu fotoelektronu uz parauga virsmas, un Kulona mijiedarbība ievērojami paplašinās fotoelektronu kinētiskās enerģijas sadalījumu, ko sauc par telpas lādiņa efektu. Lai samazinātu telpas lādiņa efekta ietekmi, ir jāsamazina katrā impulsā esošo fotoelektronu skaits, vienlaikus saglabājot nemainīgu fotonu plūsmu, tāpēc ir nepieciešams vadītlāzersar augstu atkārtošanās frekvenci, lai radītu ekstremālu ultravioletās gaismas avotu ar augstu atkārtošanās frekvenci.

Ar rezonansi uzlabota dobuma tehnoloģija realizē augstas kārtas harmoniku ģenerēšanu MHz atkārtošanās frekvencē
Lai iegūtu ekstremāli ultravioletās gaismas avotu ar atkārtošanās frekvenci līdz 60 MHz, Džonsa komanda Britu Kolumbijas Universitātē Apvienotajā Karalistē veica augstas kārtas harmoniku ģenerēšanu femtosekundes rezonanses pastiprināšanas rezonatorā (fsEC), lai panāktu praktisku ekstremāli ultravioletās gaismas avotu, un pielietoja to laika izšķirtspējas leņķiski izšķirtspējas elektronu spektroskopijas (Tr-ARPES) eksperimentos. Gaismas avots spēj nodrošināt fotonu plūsmu, kas pārsniedz 1011 fotonu skaitļus sekundē ar vienu harmoniku ar atkārtošanās frekvenci 60 MHz enerģijas diapazonā no 8 līdz 40 eV. Viņi izmantoja ar iterbiju leģētu šķiedru lāzera sistēmu kā fsEC sākuma avotu un kontrolēja impulsa raksturlielumus, izmantojot pielāgotu lāzera sistēmas dizainu, lai samazinātu nesēja apvalka nobīdes frekvences (fCEO) troksni un saglabātu labas impulsa saspiešanas raksturlielumus pastiprinātāja ķēdes galā. Lai panāktu stabilu rezonanses pastiprinājumu fsEC ietvaros, atgriezeniskās saites vadībai tiek izmantotas trīs servo vadības cilpas, kā rezultātā tiek panākta aktīva stabilizācija divās brīvības pakāpēs: impulsa cikla apļveida kustības laiks fsEC ietvaros atbilst lāzera impulsa periodam un elektriskā lauka nesēja fāzes nobīdei attiecībā pret impulsa aploksni (t. i., nesēja aploksnes fāzei, ϕCEO).

Izmantojot kriptona gāzi kā darba gāzi, pētnieku komanda panāca augstākas kārtas harmoniku ģenerēšanu fsEC. Viņi veica grafīta Tr-ARPES mērījumus un novēroja ātru termiāciju un sekojošu lēnu netermiski ierosinātu elektronu populāciju rekombināciju, kā arī netermiski tieši ierosinātu stāvokļu dinamiku Fermi līmeņa tuvumā virs 0,6 eV. Šis gaismas avots ir svarīgs instruments sarežģītu materiālu elektroniskās struktūras izpētei. Tomēr augstas kārtas harmoniku ģenerēšanai fsEC ir ļoti augstas prasības attiecībā uz atstarošanos, dispersijas kompensāciju, dobuma garuma precīzu regulēšanu un sinhronizācijas bloķēšanu, kas lielā mērā ietekmēs rezonanses pastiprinātā dobuma pastiprinājuma reizinātāju. Tajā pašā laikā plazmas nelineārā fāzes reakcija dobuma fokusa punktā ir arī izaicinājums. Tāpēc pašlaik šāda veida gaismas avots nav kļuvis par galveno ekstremālo ultravioleto starojumu.augstas harmonikas gaismas avots.