Progressi nell'ultravioletto estremotecnologia delle sorgenti luminose
Negli ultimi anni, le sorgenti di armoniche superiori nell'ultravioletto estremo hanno attirato una vasta attenzione nel campo della dinamica elettronica grazie alla loro forte coerenza, alla breve durata dell'impulso e all'elevata energia dei fotoni, e sono state utilizzate in vari studi spettrali e di imaging. Con l'avanzamento della tecnologia, questofonte luminosaSi sta evolvendo verso frequenze di ripetizione più elevate, flussi di fotoni più elevati, energie dei fotoni più elevate e durate degli impulsi più brevi. Questo progresso non solo ottimizza la risoluzione di misurazione delle sorgenti di luce ultravioletta estrema, ma offre anche nuove possibilità per le future tendenze di sviluppo tecnologico. Pertanto, lo studio e la comprensione approfonditi delle sorgenti di luce ultravioletta estrema ad alta frequenza di ripetizione sono di grande importanza per la padronanza e l'applicazione di tecnologie all'avanguardia.
Per le misurazioni di spettroscopia elettronica su scale temporali di femtosecondi e attosecondi, il numero di eventi misurati in un singolo fascio è spesso insufficiente, rendendo le sorgenti luminose a bassa frequenza inadeguate per ottenere statistiche affidabili. Allo stesso tempo, una sorgente luminosa con un basso flusso di fotoni riduce il rapporto segnale/rumore dell'imaging microscopico durante il tempo di esposizione limitato. Attraverso continue esplorazioni ed esperimenti, i ricercatori hanno apportato numerosi miglioramenti all'ottimizzazione della resa e alla progettazione della trasmissione della luce ultravioletta estrema ad alta frequenza di ripetizione. La tecnologia avanzata di analisi spettrale, combinata con una sorgente di luce ultravioletta estrema ad alta frequenza di ripetizione, è stata utilizzata per ottenere misurazioni di alta precisione della struttura dei materiali e dei processi dinamici elettronici.
Le applicazioni delle sorgenti di luce ultravioletta estrema, come le misurazioni di spettroscopia elettronica risolta angolarmente (ARPES), richiedono un fascio di luce ultravioletta estrema per illuminare il campione. Gli elettroni sulla superficie del campione vengono eccitati allo stato continuo dalla luce ultravioletta estrema e l'energia cinetica e l'angolo di emissione dei fotoelettroni contengono le informazioni sulla struttura a bande del campione. L'analizzatore di elettroni con funzione di risoluzione angolare riceve i fotoelettroni irradiati e ottiene la struttura a bande vicino alla banda di valenza del campione. Per una sorgente di luce ultravioletta estrema a bassa frequenza di ripetizione, poiché il suo singolo impulso contiene un gran numero di fotoni, ecciterà un gran numero di fotoelettroni sulla superficie del campione in un breve lasso di tempo e l'interazione di Coulomb provocherà un grave allargamento della distribuzione dell'energia cinetica dei fotoelettroni, che è chiamato effetto di carica spaziale. Per ridurre l'influenza dell'effetto di carica spaziale, è necessario ridurre i fotoelettroni contenuti in ciascun impulso mantenendo costante il flusso di fotoni, quindi è necessario pilotare illasercon un'elevata frequenza di ripetizione per produrre la sorgente di luce ultravioletta estrema con un'elevata frequenza di ripetizione.
La tecnologia della cavità a risonanza potenziata consente la generazione di armoniche di ordine elevato a una frequenza di ripetizione di MHz.
Al fine di ottenere una sorgente di luce ultravioletta estrema con una frequenza di ripetizione fino a 60 MHz, il team Jones dell'Università della British Columbia nel Regno Unito ha effettuato la generazione di armoniche di ordine elevato in una cavità di potenziamento della risonanza a femtosecondi (fsEC) per realizzare una sorgente di luce ultravioletta estrema pratica e l'ha applicata a esperimenti di spettroscopia elettronica risolta nel tempo e nell'angolo (Tr-ARPES). La sorgente luminosa è in grado di fornire un flusso di fotoni superiore a 10¹¹ fotoni al secondo con una singola armonica a una frequenza di ripetizione di 60 MHz nell'intervallo di energia da 8 a 40 eV. Hanno utilizzato un sistema laser a fibra drogata con ittrio come sorgente di seed per la fsEC e hanno controllato le caratteristiche dell'impulso attraverso una progettazione personalizzata del sistema laser per minimizzare il rumore della frequenza di offset dell'inviluppo della portante (fCEO) e mantenere buone caratteristiche di compressione dell'impulso alla fine della catena di amplificazione. Per ottenere un miglioramento stabile della risonanza all'interno dell'fsEC, vengono utilizzati tre circuiti di controllo servoassistiti per il controllo a feedback, che si traducono in una stabilizzazione attiva a due gradi di libertà: il tempo di andata e ritorno del ciclo di impulsi all'interno dell'fsEC corrisponde al periodo dell'impulso laser e lo sfasamento della portante del campo elettrico rispetto all'inviluppo dell'impulso (ovvero, la fase dell'inviluppo della portante, ϕCEO).
Utilizzando il kripton come gas di lavoro, il team di ricerca è riuscito a generare armoniche di ordine superiore in fsEC. Hanno effettuato misurazioni Tr-ARPES sulla grafite e osservato la rapida termalizzazione e la successiva lenta ricombinazione delle popolazioni di elettroni eccitati non termicamente, nonché la dinamica degli stati eccitati direttamente non termicamente vicino al livello di Fermi al di sopra di 0,6 eV. Questa sorgente luminosa fornisce uno strumento importante per lo studio della struttura elettronica di materiali complessi. Tuttavia, la generazione di armoniche di ordine superiore in fsEC ha requisiti molto elevati per la riflettività, la compensazione della dispersione, la regolazione fine della lunghezza della cavità e il blocco di sincronizzazione, che influenzeranno notevolmente il fattore di amplificazione della cavità a risonanza. Allo stesso tempo, anche la risposta di fase non lineare del plasma nel punto focale della cavità rappresenta una sfida. Pertanto, al momento, questo tipo di sorgente luminosa non è ancora diventato la principale sorgente di luce ultravioletta estrema.sorgente luminosa ad alta armonica.
Data di pubblicazione: 29 aprile 2024