Avances en el ultravioleta extremotecnología de fuentes de luz
En los últimos años, las fuentes de armónicos altos en el ultravioleta extremo han atraído gran atención en el campo de la dinámica electrónica debido a su fuerte coherencia, corta duración de pulso y alta energía fotónica, y se han utilizado en diversos estudios espectrales y de imagen. Con el avance de la tecnología, estafuente de luzSe está avanzando hacia una mayor frecuencia de repetición, un mayor flujo de fotones, una mayor energía fotónica y una menor duración del pulso. Este avance no solo optimiza la resolución de medición de las fuentes de luz ultravioleta extrema, sino que también ofrece nuevas posibilidades para las futuras tendencias de desarrollo tecnológico. Por lo tanto, el estudio y la comprensión profundos de las fuentes de luz ultravioleta extrema de alta frecuencia de repetición revisten gran importancia para dominar y aplicar tecnología de vanguardia.
Para mediciones de espectroscopia electrónica en escalas de tiempo de femtosegundos y attosegundos, el número de eventos medidos en un solo haz suele ser insuficiente, lo que hace que las fuentes de luz de baja frecuencia de repetición no sean adecuadas para obtener estadísticas fiables. Asimismo, una fuente de luz con bajo flujo de fotones reduce la relación señal/ruido de la imagen microscópica durante el tiempo de exposición limitado. Mediante la exploración y experimentación continuas, los investigadores han logrado numerosas mejoras en la optimización del rendimiento y el diseño de transmisión de la luz ultravioleta extrema de alta frecuencia de repetición. La tecnología avanzada de análisis espectral, combinada con esta fuente de luz ultravioleta extrema de alta frecuencia de repetición, se ha utilizado para obtener mediciones de alta precisión de la estructura de los materiales y los procesos dinámicos electrónicos.
Las aplicaciones de fuentes de luz ultravioleta extrema, como las mediciones de espectroscopia electrónica con resolución angular (ARPES), requieren un haz de luz ultravioleta extrema para iluminar la muestra. Los electrones en la superficie de la muestra se excitan a un estado continuo mediante la luz ultravioleta extrema, y la energía cinética y el ángulo de emisión de los fotoelectrones contienen información sobre la estructura de bandas de la muestra. El analizador de electrones con función de resolución angular recibe los fotoelectrones emitidos y obtiene la estructura de bandas cerca de la banda de valencia de la muestra. Para fuentes de luz ultravioleta extrema de baja frecuencia de repetición, dado que cada pulso contiene un gran número de fotones, se excitará una gran cantidad de fotoelectrones en la superficie de la muestra en un corto tiempo, y la interacción de Coulomb provocará una importante dispersión en la distribución de la energía cinética de los fotoelectrones, fenómeno conocido como efecto de carga espacial. Para reducir la influencia del efecto de carga espacial, es necesario disminuir la cantidad de fotoelectrones en cada pulso manteniendo constante el flujo de fotones; por lo tanto, es necesario controlar la frecuencia de emisión.lásercon alta frecuencia de repetición para producir la fuente de luz ultravioleta extrema con alta frecuencia de repetición.
La tecnología de cavidad resonante permite la generación de armónicos de alto orden a una frecuencia de repetición de MHz.
Para obtener una fuente de luz ultravioleta extrema con una tasa de repetición de hasta 60 MHz, el equipo de Jones en la Universidad de Columbia Británica (Reino Unido) generó armónicos de alto orden en una cavidad de resonancia de femtosegundos (fsEC) para lograr una fuente práctica de luz ultravioleta extrema y la aplicó a experimentos de espectroscopia electrónica de resolución angular con resolución temporal (Tr-ARPES). La fuente de luz es capaz de proporcionar un flujo de fotones superior a 1011 fotones por segundo con un solo armónico a una tasa de repetición de 60 MHz en el rango de energía de 8 a 40 eV. Utilizaron un sistema láser de fibra dopada con iterbio como fuente semilla para la fsEC y controlaron las características del pulso mediante un diseño personalizado del sistema láser para minimizar el ruido de desplazamiento de frecuencia de la envolvente portadora (fCEO) y mantener buenas características de compresión de pulsos al final de la cadena de amplificación. Para lograr una mejora de resonancia estable dentro del fsEC, utilizan tres bucles de control servo para el control de retroalimentación, lo que da como resultado una estabilización activa en dos grados de libertad: el tiempo de recorrido de ida y vuelta del ciclo del pulso dentro del fsEC coincide con el período del pulso láser, y el desplazamiento de fase de la portadora del campo eléctrico con respecto a la envolvente del pulso (es decir, la fase de la envolvente de la portadora, ϕCEO).
Mediante el uso de kriptón como gas de trabajo, el equipo de investigación logró la generación de armónicos de orden superior en fsEC. Realizaron mediciones Tr-ARPES de grafito y observaron la termiación rápida y la posterior recombinación lenta de poblaciones de electrones excitados no térmicamente, así como la dinámica de estados excitados directamente no térmicamente cerca del nivel de Fermi por encima de 0,6 eV. Esta fuente de luz proporciona una herramienta importante para el estudio de la estructura electrónica de materiales complejos. Sin embargo, la generación de armónicos de orden superior en fsEC exige altos niveles de reflectividad, compensación de dispersión, ajuste preciso de la longitud de la cavidad y sincronización, lo que afecta considerablemente el factor de mejora de la cavidad resonante. Asimismo, la respuesta de fase no lineal del plasma en el punto focal de la cavidad también representa un desafío. Por lo tanto, actualmente, este tipo de fuente de luz no se ha consolidado como la principal fuente de luz ultravioleta extrema.fuente de luz armónica alta.
Fecha de publicación: 29 de abril de 2024