ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีแหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตขั้นสูง

ความก้าวหน้าในอุลตราไวโอเลตขั้นสูงสุดเทคโนโลยีแหล่งกำเนิดแสง

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา แหล่งกำเนิดฮาร์มอนิกสูงที่มีอัลตราไวโอเลตสูงได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางในสาขาไดนามิกของอิเล็กตรอนเนื่องจากความสอดคล้องที่แข็งแกร่ง ระยะเวลาพัลส์สั้น และพลังงานโฟตอนสูง และถูกนำมาใช้ในการศึกษาสเปกตรัมและการสร้างภาพต่างๆ ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยีแหล่งกำเนิดแสงกำลังพัฒนาไปสู่ความถี่การทำซ้ำที่สูงขึ้น ฟลักซ์โฟตอนที่สูงขึ้น พลังงานโฟตอนที่สูงขึ้น และความกว้างของพัลส์ที่สั้นลง ความก้าวหน้านี้ไม่เพียงแต่เพิ่มประสิทธิภาพความละเอียดในการวัดของแหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตระดับสูงเท่านั้น แต่ยังเปิดโอกาสใหม่ๆ สำหรับแนวโน้มการพัฒนาเทคโนโลยีในอนาคตอีกด้วย ดังนั้น การศึกษาและทำความเข้าใจในเชิงลึกเกี่ยวกับแหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตระดับสูงที่มีความถี่การทำซ้ำสูงจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการฝึกฝนและการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีที่ล้ำสมัย

สำหรับการวัดสเปกตรัมอิเล็กตรอนในช่วงเวลาเฟมโตวินาทีและแอตโตวินาที จำนวนเหตุการณ์ที่วัดได้ในลำแสงเดียวมักจะไม่เพียงพอ ทำให้แหล่งกำเนิดแสงความถี่ต่ำไม่เพียงพอต่อการได้รับสถิติที่เชื่อถือได้ ในเวลาเดียวกัน แหล่งกำเนิดแสงที่มีฟลักซ์โฟตอนต่ำจะลดอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนของการถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์ในช่วงเวลาการรับแสงที่จำกัด ผ่านการสำรวจและการทดลองอย่างต่อเนื่อง นักวิจัยได้ปรับปรุงประสิทธิภาพผลผลิตและการออกแบบการส่งผ่านของแสงอัลตราไวโอเลตความถี่สูงซ้ำหลายครั้ง เทคโนโลยีการวิเคราะห์สเปกตรัมขั้นสูงที่รวมกับแหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตความถี่สูงซ้ำถูกนำมาใช้เพื่อให้ได้การวัดโครงสร้างวัสดุและกระบวนการไดนามิกอิเล็กทรอนิกส์ที่มีความแม่นยำสูง

การประยุกต์ใช้แหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตที่รุนแรง เช่น การวัดสเปกโตรสโคปีอิเล็กตรอนแบบแยกมุม (ARPES) ต้องใช้ลำแสงอัลตราไวโอเลตที่รุนแรงเพื่อส่องสว่างตัวอย่าง อิเล็กตรอนบนพื้นผิวของตัวอย่างจะถูกกระตุ้นไปยังสถานะต่อเนื่องโดยแสงอัลตราไวโอเลตที่รุนแรง และพลังงานจลน์และมุมการแผ่รังสีของโฟโตอิเล็กตรอนจะมีข้อมูลโครงสร้างแถบของตัวอย่าง เครื่องวิเคราะห์อิเล็กตรอนที่มีฟังก์ชั่นการแยกมุมจะรับโฟโตอิเล็กตรอนที่แผ่ออกมาและได้โครงสร้างแถบใกล้กับแถบวาเลนซ์ของตัวอย่าง สำหรับแหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตที่รุนแรงที่มีความถี่การทำซ้ำต่ำ เนื่องจากพัลส์เดียวมีโฟตอนจำนวนมาก จึงสามารถกระตุ้นโฟโตอิเล็กตรอนจำนวนมากบนพื้นผิวตัวอย่างได้ในเวลาอันสั้น และปฏิสัมพันธ์คูลอมบ์จะส่งผลให้การกระจายของพลังงานจลน์ของโฟโตอิเล็กตรอนขยายตัวขึ้นอย่างมาก ซึ่งเรียกว่าเอฟเฟกต์ประจุในอวกาศ เพื่อลดอิทธิพลของเอฟเฟกต์ประจุอวกาศ จำเป็นต้องลดโฟโตอิเล็กตรอนที่มีอยู่ในแต่ละพัลส์ในขณะที่รักษาฟลักซ์โฟตอนให้คงที่ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องขับเคลื่อนเลเซอร์ด้วยความถี่การทำซ้ำสูงเพื่อผลิตแหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตระดับสูงด้วยความถี่การทำซ้ำสูง

เทคโนโลยีโพรงที่ได้รับการปรับปรุงด้วยเรโซแนนซ์ช่วยให้สามารถสร้างฮาร์มอนิกลำดับสูงที่ความถี่การทำซ้ำ MHz ได้
เพื่อให้ได้แหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตที่มีความถี่ซ้ำสูงสุดถึง 60 MHz ทีมโจนส์แห่งมหาวิทยาลัยบริติชโคลัมเบียในสหราชอาณาจักรได้ทำการสร้างฮาร์มอนิกอันดับสูงในโพรงเพิ่มการสั่นพ้องเฟมโตวินาที (fsEC) เพื่อให้ได้แหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตที่มีความถี่ซ้ำที่ใช้งานได้จริง และนำไปใช้กับการทดลองสเปกโตรสโคปีอิเล็กตรอนเชิงมุมแบบแยกตามเวลา (Tr-ARPES) แหล่งกำเนิดแสงนี้สามารถส่งฟลักซ์โฟตอนได้มากกว่า 1011 โฟตอนต่อวินาทีด้วยฮาร์มอนิกเดียวที่ความถี่ซ้ำ 60 MHz ในช่วงพลังงาน 8 ถึง 40 eV พวกเขาใช้ระบบเลเซอร์ไฟเบอร์ที่เจือด้วยอิตเทอร์เบียมเป็นแหล่งกำเนิดต้นสำหรับ fsEC และควบคุมลักษณะของพัลส์ผ่านการออกแบบระบบเลเซอร์แบบกำหนดเองเพื่อลดสัญญาณรบกวนความถี่ออฟเซ็ตของซองจดหมายพาหะ (fCEO) และรักษาลักษณะของการบีบอัดพัลส์ที่ดีที่ปลายของห่วงโซ่เครื่องขยายเสียง เพื่อให้ได้การปรับปรุงการสั่นพ้องที่เสถียรภายใน fsEC พวกเขาจะใช้ลูปควบคุมเซอร์โวสามวงสำหรับการควบคุมป้อนกลับ ส่งผลให้เกิดการเสถียรแบบแอ็คทีฟในสององศาอิสระ: เวลาไปกลับของการหมุนเวียนของพัลส์ภายใน fsEC ตรงกับช่วงเวลาของพัลส์เลเซอร์ และการเลื่อนเฟสของพาหะสนามไฟฟ้าเทียบกับซองพัลส์ (เช่น เฟสของซองพาหะ ϕCEO)

โดยใช้ก๊าซคริปทอนเป็นก๊าซทำงาน ทีมวิจัยประสบความสำเร็จในการสร้างฮาร์มอนิกลำดับสูงใน fsEC พวกเขาทำการวัด Tr-ARPES ของกราไฟท์และสังเกตการเทอร์มิเอชันอย่างรวดเร็วและการรวมตัวกันอย่างช้าๆ ตามมาของประชากรอิเล็กตรอนที่ไม่ได้รับการกระตุ้นด้วยความร้อน รวมถึงพลวัตของสถานะที่ได้รับการกระตุ้นโดยตรงที่ไม่ใช่ความร้อนใกล้ระดับแฟร์มีที่สูงกว่า 0.6 eV แหล่งกำเนิดแสงนี้ให้เครื่องมือสำคัญสำหรับการศึกษาโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุที่ซับซ้อน อย่างไรก็ตาม การสร้างฮาร์มอนิกลำดับสูงใน fsEC มีข้อกำหนดที่สูงมากสำหรับการสะท้อนแสง การชดเชยการกระจาย การปรับความยาวของโพรงอย่างละเอียด และการล็อกการซิงโครไนซ์ ซึ่งจะส่งผลกระทบอย่างมากต่อทวีคูณการเพิ่มประสิทธิภาพของโพรงที่ได้รับการเพิ่มการสั่นพ้อง ในขณะเดียวกัน การตอบสนองเฟสที่ไม่เป็นเชิงเส้นของพลาสมาที่จุดโฟกัสของโพรงก็เป็นความท้าทายเช่นกัน ดังนั้น ในปัจจุบัน แหล่งกำเนิดแสงประเภทนี้ยังไม่กลายเป็นแหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตที่รุนแรงในกระแสหลักแหล่งกำเนิดแสงฮาร์มอนิกสูง.