התקדמות בטכנולוגיית מקור אור אולטרה סגול קיצוני

התקדמות באולטרה סגול קיצוניטכנולוגיית מקור אור

בשנים האחרונות, מקורות הרמוניים אולטרה סגולים קיצוניים משכו תשומת לב רחבה בתחום דינמיקת האלקטרונים בשל הקוהרנטיות החזקה, משך הפולס הקצר ואנרגיית הפוטונים הגבוהה שלהם, ונעשה בהם שימוש במחקרי ספקטרל והדמיה שונים. עם התקדמות הטכנולוגיה, זהמקור אורמתפתחת לקראת תדר חזרות גבוה יותר, שטף פוטון גבוה יותר, אנרגיית פוטון גבוהה יותר ורוחב פולס קצר יותר. התקדמות זו לא רק מייעלת את רזולוציית המדידה של מקורות אור אולטרה סגול קיצוניים, אלא גם מספקת אפשרויות חדשות למגמות פיתוח טכנולוגיות עתידיות. לכן, למחקר המעמיק וההבנה של מקור אור אולטרה סגול קיצוני בתדירות חזרות גבוהות יש משמעות רבה לשליטה ויישום טכנולוגיה חדשנית.

עבור מדידות ספקטרוסקופיה אלקטרונים בסקאלות זמן פמטו-שניות ואטו-שניות, מספר האירועים הנמדדים בקרן בודדת לעתים קרובות אינו מספיק, מה שהופך את מקורות האור בתדר נמוך לבלתי מספיקים לקבלת נתונים סטטיסטיים מהימנים. במקביל, מקור האור עם שטף פוטון נמוך יקטין את יחס האות לרעש של הדמיה מיקרוסקופית במהלך זמן החשיפה המוגבל. באמצעות חקר וניסויים מתמשכים, חוקרים ביצעו שיפורים רבים באופטימיזציית התפוקה ובתכנון השידור של אור אולטרה סגול קיצוני בתדר חזרות גבוה. טכנולוגיית הניתוח הספקטרלית המתקדמת בשילוב עם מקור האור האולטרה סגול הקיצוני בתדירות החזרות הגבוהה שימשה כדי להשיג מדידה דיוק גבוהה של מבנה החומר והתהליך הדינמי האלקטרוני.

יישומים של מקורות אור אולטרה-סגול קיצוניים, כגון מדידות אנגולר-resolved electron spectroscopy (ARPES), דורשים אלומת אור אולטרה-סגול קיצוני כדי להאיר את המדגם. האלקטרונים על פני הדגימה נרגשים למצב המתמשך על ידי האור האולטרה סגול הקיצוני, והאנרגיה הקינטית וזווית הפליטה של ​​הפוטואלקטרונים מכילים את מידע מבנה הרצועה של הדגימה. מנתח האלקטרונים עם פונקציית רזולוציית זווית קולט את הפוטואלקטרונים המוקרנים ומשיג את מבנה הלהקה ליד פס הערכיות של המדגם. עבור מקור אור אולטרה סגול קיצוני בתדר חזרות נמוך, מכיוון שהפול היחיד שלו מכיל מספר רב של פוטונים, הוא יעורר מספר רב של פוטואלקטרונים על פני הדגימה תוך זמן קצר, והאינטראקציה של קולומב תביא להרחבה רצינית של התפלגות של אנרגיה קינטית פוטואלקטרון, הנקראת אפקט מטען החלל. על מנת להפחית את השפעת השפעת מטען החלל, יש צורך להפחית את הפוטואלקטרונים הכלולים בכל פולס תוך שמירה על שטף הפוטונים הקבוע, ולכן יש צורך להניע אתלייזרעם תדירות חזרות גבוהה להפקת מקור האור האולטרה סגול הקיצוני עם תדירות חזרות גבוהה.

טכנולוגיית חלל משופרת בתהודה מיישמת את היצירה של הרמוניות מסדר גבוה בתדר החזרה של מגה-הרץ
על מנת להשיג מקור אור אולטרה-סגול קיצוני עם קצב חזרות של עד 60 מגה-הרץ, צוות ג'ונס באוניברסיטת קולומביה הבריטית בבריטניה ביצע יצירת הרמונית מסדר גבוה בחלל שיפור תהודה פמט-שנייה (fsEC) כדי להשיג יצירה מעשית מקור אור אולטרה סגול קיצוני ויישם אותו בניסויים בספקטרוסקופיה של אלקטרונים פתורים בזווית (Tr-ARPES). מקור האור מסוגל לספק שטף פוטון של יותר מ-1011 מספרי פוטון בשנייה עם הרמוניה בודדת בקצב חזרות של 60 מגה-הרץ בתחום האנרגיה של 8 עד 40 eV. הם השתמשו במערכת לייזר סיבים מסוממים באיטרביום כמקור זרעים ל-fsEC, ומאפיינים פולסים מבוקרים באמצעות תכנון מערכת לייזר מותאם אישית כדי למזער את רעשי היסט תדר המעטפת הנשא (fCEO) ולשמור על מאפייני דחיסת פולסים טובים בסוף שרשרת המגבר. כדי להשיג שיפור תהודה יציב בתוך ה-fsEC, הם משתמשים בשלוש לולאות בקרת סרוו לבקרת משוב, וכתוצאה מכך ייצוב אקטיבי בשתי דרגות חופש: זמן ההליכה הלוך ושוב של מחזור הדופק בתוך fsEC תואם את תקופת דופק הלייזר, ואת הסטת הפאזה של נושא השדה החשמלי ביחס למעטפת הפולס (כלומר, שלב מעטפת הספק, ϕCEO).

על ידי שימוש בגז קריפטון כגז העבודה, צוות המחקר השיג יצירת הרמוניות מסדר גבוה יותר ב-fsEC. הם ביצעו מדידות Tr-ARPES של גרפיט וצפו בתרמיציה מהירה ובעקבותיה ריקומבינציה אטית של אוכלוסיות אלקטרונים שאינן מעוררות תרמית, כמו גם את הדינמיקה של מצבים מעורבים לא תרמית ישירות ליד רמת Fermi מעל 0.6 eV. מקור אור זה מספק כלי חשוב לחקר המבנה האלקטרוני של חומרים מורכבים. עם זאת, ליצירת הרמוניות מסדר גבוה ב-fsEC יש דרישות גבוהות מאוד לרפלקטיביות, פיצוי פיזור, התאמה עדינה של אורך החלל ונעילת סנכרון, מה שישפיע מאוד על מכפיל השיפור של החלל המוגבר בתהודה. יחד עם זאת, תגובת הפאזה הלא ליניארית של הפלזמה במוקד החלל היא גם אתגר. לכן, נכון לעכשיו, מקור אור מסוג זה לא הפך לזרם האולטרה-סגול הקיצונימקור אור הרמוני גבוה.