ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีแหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตขั้นสูง

ความก้าวหน้าในอุลตราไวโอเลตที่รุนแรงเทคโนโลยีแหล่งกำเนิดแสง

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา แหล่งกำเนิดฮาร์มอนิกสูงที่มีช่วงคลื่นอัลตราไวโอเลตสูงเป็นพิเศษได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางในสาขาพลศาสตร์อิเล็กตรอน เนื่องจากมีความสอดคล้องกันสูง ระยะเวลาพัลส์สั้น และพลังงานโฟตอนสูง และถูกนำมาใช้ในการศึกษาสเปกตรัมและการถ่ายภาพต่างๆ ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี แหล่งกำเนิดฮาร์มอนิกนี้แหล่งกำเนิดแสงกำลังพัฒนาไปสู่ความถี่การทำซ้ำที่สูงขึ้น ฟลักซ์โฟตอนที่สูงขึ้น พลังงานโฟตอนที่สูงขึ้น และความกว้างพัลส์ที่สั้นลง ความก้าวหน้านี้ไม่เพียงแต่เพิ่มประสิทธิภาพความละเอียดในการวัดของแหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตระดับสูงเท่านั้น แต่ยังเปิดโอกาสใหม่ๆ สำหรับแนวโน้มการพัฒนาเทคโนโลยีในอนาคตอีกด้วย ดังนั้น การศึกษาและทำความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับแหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตระดับสูงที่มีความถี่การทำซ้ำสูงจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งยวดต่อการฝึกฝนและการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีที่ทันสมัย

สำหรับการวัดด้วยสเปกโทรสโกปีอิเล็กตรอนในช่วงเวลาเฟมโตวินาทีและแอตโตวินาที จำนวนเหตุการณ์ที่วัดได้ในลำแสงเดียวมักไม่เพียงพอ ทำให้แหล่งกำเนิดแสงความถี่ต่ำไม่เพียงพอต่อการคำนวณทางสถิติที่เชื่อถือได้ ขณะเดียวกัน แหล่งกำเนิดแสงที่มีฟลักซ์โฟตอนต่ำจะช่วยลดอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนของการถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์ในช่วงเวลาที่เปิดรับแสงจำกัด ด้วยการสำรวจและการทดลองอย่างต่อเนื่อง นักวิจัยได้พัฒนาประสิทธิภาพการเพิ่มประสิทธิภาพผลผลิตและการออกแบบการส่งผ่านของแสงอัลตราไวโอเลตความถี่สูงแบบซ้ำซ้อน เทคโนโลยีการวิเคราะห์สเปกตรัมขั้นสูงที่ผสานรวมกับแหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตความถี่สูงแบบซ้ำซ้อนถูกนำมาใช้เพื่อให้ได้การวัดโครงสร้างวัสดุและกระบวนการไดนามิกอิเล็กทรอนิกส์ที่มีความแม่นยำสูง

การประยุกต์ใช้แหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตระดับสูง เช่น การวัดสเปกโทรสโกปีอิเล็กตรอนเชิงมุม (ARPES) จำเป็นต้องใช้ลำแสงอัลตราไวโอเลตระดับสูงเพื่อส่องสว่างตัวอย่าง อิเล็กตรอนบนพื้นผิวของตัวอย่างจะถูกกระตุ้นไปยังสถานะต่อเนื่องโดยแสงอัลตราไวโอเลตระดับสูง และพลังงานจลน์และมุมการแผ่รังสีของโฟโตอิเล็กตรอนจะมีข้อมูลโครงสร้างแถบของตัวอย่าง เครื่องวิเคราะห์อิเล็กตรอนที่มีฟังก์ชันความละเอียดมุมจะรับโฟโตอิเล็กตรอนที่แผ่ออกมาและหาโครงสร้างแถบใกล้กับแถบวาเลนซ์ของตัวอย่าง สำหรับแหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตระดับสูงที่มีความถี่การทำซ้ำต่ำ เนื่องจากพัลส์เดี่ยวมีโฟตอนจำนวนมาก จึงสามารถกระตุ้นโฟโตอิเล็กตรอนจำนวนมากบนพื้นผิวตัวอย่างได้ในเวลาอันสั้น และอันตรกิริยาคูลอมบ์จะนำไปสู่การกระจายตัวของพลังงานจลน์ของโฟโตอิเล็กตรอนที่กว้างขึ้นอย่างมาก ซึ่งเรียกว่าปรากฏการณ์ประจุอวกาศ เพื่อลดอิทธิพลของเอฟเฟกต์ประจุในอวกาศ จำเป็นต้องลดโฟโตอิเล็กตรอนที่มีอยู่ในแต่ละพัลส์ในขณะที่รักษาฟลักซ์โฟตอนให้คงที่ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องขับเคลื่อนเลเซอร์ด้วยความถี่การทำซ้ำสูงเพื่อผลิตแหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตระดับสูงด้วยความถี่การทำซ้ำสูง

เทคโนโลยีโพรงที่ได้รับการปรับปรุงด้วยเรโซแนนซ์ทำให้สามารถสร้างฮาร์มอนิกลำดับสูงที่ความถี่การทำซ้ำ MHz ได้
เพื่อให้ได้แหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตความถี่สูงที่มีอัตราการทำซ้ำสูงสุดถึง 60 เมกะเฮิรตซ์ ทีมโจนส์จากมหาวิทยาลัยบริติชโคลัมเบียในสหราชอาณาจักร ได้ดำเนินการสร้างฮาร์มอนิกลำดับสูงในโพรงเพิ่มประสิทธิภาพเรโซแนนซ์เฟมโตวินาที (fsEC) เพื่อให้ได้แหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตความถี่สูงที่ใช้งานได้จริง และนำไปประยุกต์ใช้กับการทดลองสเปกโทรสโกปีอิเล็กตรอนเชิงมุมแบบแยกส่วนเวลา (Tr-ARPES) แหล่งกำเนิดแสงนี้สามารถส่งฟลักซ์โฟตอนได้มากกว่า 1011 โฟตอนต่อวินาทีด้วยฮาร์มอนิกเดี่ยวที่อัตราการทำซ้ำ 60 เมกะเฮิรตซ์ ในช่วงพลังงาน 8 ถึง 40 eV พวกเขาใช้ระบบเลเซอร์ไฟเบอร์ที่เจือด้วยอิตเทอร์เบียมเป็นแหล่งกำเนิดเริ่มต้นสำหรับ fsEC และควบคุมลักษณะของพัลส์ผ่านการออกแบบระบบเลเซอร์เฉพาะเพื่อลดสัญญาณรบกวนความถี่ออฟเซ็ตของซองพาหะ (fCEO) และรักษาลักษณะการบีบอัดพัลส์ที่ดีที่ปลายสายขยายสัญญาณ เพื่อให้ได้การปรับปรุงการสั่นพ้องที่เสถียรภายใน fsEC พวกเขาใช้ลูปควบคุมเซอร์โวสามลูปสำหรับการควบคุมป้อนกลับ ส่งผลให้เกิดการรักษาเสถียรภาพแบบแอคทีฟในสององศาอิสระ: เวลาเดินทางไปกลับของการหมุนเวียนของพัลส์ภายใน fsEC ตรงกับคาบของพัลส์เลเซอร์ และการเลื่อนเฟสของพาหะสนามไฟฟ้าเมื่อเทียบกับซองพัลส์ (กล่าวคือ เฟสของซองพาหะ ϕCEO)

ด้วยการใช้ก๊าซคริปทอนเป็นก๊าซทำงาน ทีมวิจัยประสบความสำเร็จในการสร้างฮาร์มอนิกลำดับสูงใน fsEC พวกเขาได้ทำการวัดแกรไฟต์ด้วยวิธี Tr-ARPES และสังเกตการเทอร์มิเอชันอย่างรวดเร็วและการรวมตัวกันอย่างช้าๆ ของประชากรอิเล็กตรอนที่ไม่ถูกกระตุ้นด้วยความร้อน รวมถึงพลวัตของสถานะที่ถูกกระตุ้นโดยตรงที่ไม่ใช่ความร้อนใกล้ระดับแฟร์มีที่สูงกว่า 0.6 eV แหล่งกำเนิดแสงนี้เป็นเครื่องมือสำคัญสำหรับการศึกษาโครงสร้างอิเล็กตรอนของวัสดุที่ซับซ้อน อย่างไรก็ตาม การสร้างฮาร์มอนิกลำดับสูงใน fsEC มีข้อกำหนดที่สูงมากสำหรับการสะท้อนแสง การชดเชยการกระจายตัว การปรับความยาวของโพรงอย่างละเอียด และการล็อกซิงโครไนซ์ ซึ่งจะส่งผลกระทบอย่างมากต่อทวีคูณของโพรงที่ถูกเพิ่มการสั่นพ้อง ในขณะเดียวกัน การตอบสนองเฟสแบบไม่เชิงเส้นของพลาสมาที่จุดโฟกัสของโพรงก็เป็นความท้าทายเช่นกัน ดังนั้น ในปัจจุบัน แหล่งกำเนิดแสงประเภทนี้ยังไม่กลายเป็นแหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตที่รุนแรงและเป็นกระแสหลักแหล่งกำเนิดแสงฮาร์มอนิกสูง.