ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีแหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตระดับเอ็กซ์ตรีม

ความก้าวหน้าในรังสีอัลตราไวโอเลตที่รุนแรงเทคโนโลยีแหล่งกำเนิดแสง

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา แหล่งกำเนิดฮาร์โมนิกสูงอัลตราไวโอเลตสูงดึงดูดความสนใจอย่างกว้างขวางในด้านพลศาสตร์ของอิเล็กตรอน เนื่องจากการเชื่อมโยงกันที่แข็งแกร่ง ระยะเวลาพัลส์สั้น และพลังงานโฟตอนสูง และถูกนำมาใช้ในการศึกษาสเปกตรัมและการถ่ายภาพต่างๆ ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีนี้แหล่งกำเนิดแสงกำลังพัฒนาไปสู่ความถี่การทำซ้ำที่สูงขึ้น ฟลักซ์โฟตอนที่สูงขึ้น พลังงานโฟตอนที่สูงขึ้น และความกว้างของพัลส์ที่สั้นลง ความก้าวหน้านี้ไม่เพียงแต่ปรับความละเอียดในการวัดแหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตสุดขั้วให้เหมาะสมเท่านั้น แต่ยังมอบความเป็นไปได้ใหม่ๆ สำหรับแนวโน้มการพัฒนาเทคโนโลยีในอนาคตอีกด้วย ดังนั้น การศึกษาเชิงลึกและความเข้าใจเกี่ยวกับแหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตสุดขีดที่มีความถี่การทำซ้ำสูงจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการเรียนรู้และประยุกต์ใช้เทคโนโลยีล้ำสมัย

สำหรับการวัดอิเล็กตรอนสเปกโทรสโกปีในระดับเวลาเฟมโตวินาทีและอัตโตวินาที จำนวนเหตุการณ์ที่วัดได้ในลำแสงเดียวมักจะไม่เพียงพอ ส่งผลให้แหล่งกำเนิดแสงความถี่ต่ำไม่เพียงพอที่จะรับสถิติที่เชื่อถือได้ ในเวลาเดียวกัน แหล่งกำเนิดแสงที่มีโฟตอนฟลักซ์ต่ำจะลดอัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวนของการถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์ในช่วงเวลาเปิดรับแสงที่จำกัด ด้วยการสำรวจและการทดลองอย่างต่อเนื่อง นักวิจัยได้ทำการปรับปรุงหลายประการในการเพิ่มประสิทธิภาพผลผลิตและการออกแบบการส่งผ่านของแสงอัลตราไวโอเลตที่มีความถี่สูงซ้ำๆ เทคโนโลยีการวิเคราะห์สเปกตรัมขั้นสูงรวมกับแหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตความถี่สูงซ้ำได้ถูกนำมาใช้เพื่อให้บรรลุการวัดที่มีความแม่นยำสูงของโครงสร้างวัสดุและกระบวนการอิเล็กทรอนิกส์ไดนามิก

การใช้งานแหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตระดับรุนแรง เช่น การตรวจวัดอิเล็กตรอนสเปกโทรสโกปีแบบแก้ไขเชิงมุม (ARPES) ต้องใช้ลำแสงอัลตราไวโอเลตระดับรุนแรงเพื่อให้แสงสว่างแก่ตัวอย่าง อิเล็กตรอนบนพื้นผิวของตัวอย่างตื่นเต้นกับสถานะต่อเนื่องโดยแสงอัลตราไวโอเลตที่รุนแรง และพลังงานจลน์และมุมการปล่อยของโฟโตอิเล็กตรอนประกอบด้วยข้อมูลโครงสร้างแถบความถี่ของตัวอย่าง เครื่องวิเคราะห์อิเล็กตรอนที่มีฟังก์ชันความละเอียดของมุมจะรับโฟโตอิเล็กตรอนที่แผ่ออกมา และได้โครงสร้างแถบความถี่ใกล้กับแถบเวเลนซ์ของตัวอย่าง สำหรับแหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตที่มีความถี่การทำซ้ำต่ำ เนื่องจากพัลส์เดี่ยวของมันมีโฟตอนจำนวนมาก มันจะกระตุ้นโฟโตอิเล็กตรอนจำนวนมากบนพื้นผิวตัวอย่างในเวลาอันสั้น และปฏิสัมพันธ์ของคูลอมบ์จะทำให้เกิดการกระจายตัวที่กว้างขึ้นอย่างมาก ของพลังงานจลน์ของโฟโตอิเล็กตรอน ซึ่งเรียกว่าเอฟเฟกต์ประจุอวกาศ เพื่อลดอิทธิพลของเอฟเฟกต์ประจุอวกาศ จำเป็นต้องลดโฟโตอิเล็กตรอนที่มีอยู่ในแต่ละพัลส์ ในขณะที่ยังคงรักษาโฟตอนฟลักซ์ให้คงที่ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องขับเคลื่อนเลเซอร์ด้วยความถี่การทำซ้ำสูงเพื่อสร้างแหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตที่มีความถี่การทำซ้ำสูง

เทคโนโลยีช่องที่ได้รับการปรับปรุงด้วยเรโซแนนซ์ทำให้ทราบถึงการสร้างฮาร์โมนิคลำดับสูงที่ความถี่ซ้ำ MHz
เพื่อให้ได้แหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตที่มีอัตราการทำซ้ำสูงถึง 60 MHz ทีมงานโจนส์ที่มหาวิทยาลัยบริติชโคลัมเบียในสหราชอาณาจักรได้ทำการสร้างฮาร์มอนิกที่มีลำดับสูงในช่องเสริมประสิทธิภาพเรโซแนนซ์เรโซแนนซ์ femtosecond (fsEC) เพื่อให้บรรลุผลในทางปฏิบัติ แหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตระดับสูงสุดและนำไปใช้กับการทดลองอิเล็กตรอนสเปกโทรสโกปีแบบแก้ไขเชิงมุม (Tr-ARPES) ที่แก้ไขตามเวลา แหล่งกำเนิดแสงสามารถส่งโฟตอนฟลักซ์ได้มากกว่า 1,011 โฟตอนต่อวินาทีด้วยฮาร์มอนิกเดี่ยวที่อัตราการทำซ้ำ 60 MHz ในช่วงพลังงาน 8 ถึง 40 eV พวกเขาใช้ระบบเลเซอร์ไฟเบอร์เจืออิตเทอร์เบียมเป็นแหล่งเมล็ดพันธุ์สำหรับ fsEC และควบคุมคุณลักษณะของพัลส์ผ่านการออกแบบระบบเลเซอร์ที่ปรับแต่งเอง เพื่อลดสัญญาณรบกวนความถี่ออฟเซ็ตซองจดหมายพาหะ (fCEO) และรักษาลักษณะการบีบอัดพัลส์ที่ดีที่ส่วนท้ายของวงจรเครื่องขยายเสียง เพื่อให้บรรลุการปรับปรุงเสียงสะท้อนที่เสถียรภายใน fsEC พวกเขาใช้ลูปควบคุมเซอร์โวสามลูปสำหรับการควบคุมป้อนกลับ ส่งผลให้มีความเสถียรแบบแอคทีฟที่อิสระสองระดับ: เวลาไปกลับของการหมุนเวียนของพัลส์ภายใน fsEC ตรงกับช่วงพัลส์เลเซอร์ และการเปลี่ยนเฟส ของตัวพาสนามไฟฟ้าเทียบกับพัลส์พัลส์ (เช่น เฟสของตัวพาสนามไฟฟ้า ϕCEO)

ทีมวิจัยประสบความสำเร็จในการสร้างฮาร์โมนิกที่มีลำดับสูงกว่าใน fsEC โดยใช้ก๊าซคริปทอนเป็นก๊าซทำงาน พวกเขาทำการวัดกราไฟท์ Tr-ARPES และสังเกตความร้อนอย่างรวดเร็วและการรวมตัวกันอีกครั้งอย่างช้าๆ ของประชากรอิเล็กตรอนที่ไม่ตื่นเต้นด้วยความร้อน รวมถึงพลศาสตร์ของสภาวะตื่นเต้นโดยตรงที่ไม่ใช่ความร้อนใกล้กับระดับ Fermi ที่สูงกว่า 0.6 eV แหล่งกำเนิดแสงนี้เป็นเครื่องมือสำคัญในการศึกษาโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุที่ซับซ้อน อย่างไรก็ตาม การสร้างฮาร์โมนิกลำดับสูงใน fsEC มีข้อกำหนดที่สูงมากสำหรับการสะท้อนแสง การชดเชยการกระจายตัว การปรับความยาวของคาวิตี้อย่างละเอียด และการล็อคการซิงโครไนซ์ ซึ่งจะส่งผลกระทบอย่างมากต่อการปรับปรุงหลายเท่าของคาวิตี้ที่ปรับปรุงด้วยเรโซแนนซ์ ในเวลาเดียวกัน การตอบสนองเฟสแบบไม่เชิงเส้นของพลาสมาที่จุดโฟกัสของคาวิตี้ก็เป็นสิ่งที่ท้าทายเช่นกัน ดังนั้นในปัจจุบันแหล่งกำเนิดแสงประเภทนี้จึงไม่กลายเป็นรังสีอัลตราไวโอเลตที่รุนแรงกระแสหลักแหล่งกำเนิดแสงฮาร์มอนิกสูง.