ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีแหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตแบบสุดขั้ว

ความก้าวหน้าในด้านรังสีอัลตราไวโอเลตแบบสุดขั้วเทคโนโลยีแหล่งกำเนิดแสง

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา แหล่งกำเนิดรังสีอัลตราไวโอเลตความถี่สูงแบบสุดขั้วได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางในสาขาพลศาสตร์อิเล็กตรอน เนื่องจากมีความสอดคล้องสูง ระยะเวลาพัลส์สั้น และพลังงานโฟตอนสูง และถูกนำไปใช้ในการศึกษาเชิงสเปกตรัมและการถ่ายภาพต่างๆ ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยีนี้แหล่งกำเนิดแสงเทคโนโลยีนี้กำลังพัฒนาไปสู่ความถี่การทำซ้ำที่สูงขึ้น ฟลักซ์โฟตอนที่สูงขึ้น พลังงานโฟตอนที่สูงขึ้น และความกว้างของพัลส์ที่สั้นลง ความก้าวหน้านี้ไม่เพียงแต่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพความละเอียดในการวัดของแหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตแบบสุดขั้วเท่านั้น แต่ยังเปิดโอกาสใหม่ๆ สำหรับแนวโน้มการพัฒนาเทคโนโลยีในอนาคตอีกด้วย ดังนั้น การศึกษาและทำความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับแหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตแบบสุดขั้วที่มีความถี่การทำซ้ำสูงจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการเรียนรู้และประยุกต์ใช้เทคโนโลยีล้ำสมัย

สำหรับการวัดสเปกโทรสโกปีอิเล็กตรอนในระดับเวลาเฟมโตวินาทีและแอตโตวินาที จำนวนเหตุการณ์ที่วัดได้ในลำแสงเดียวมักไม่เพียงพอ ทำให้แหล่งกำเนิดแสงความถี่ต่ำไม่เพียงพอที่จะได้สถิติที่เชื่อถือได้ ในขณะเดียวกัน แหล่งกำเนิดแสงที่มีฟลักซ์โฟตอนต่ำจะลดอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนของการถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์ในช่วงเวลาการเปิดรับแสงที่จำกัด จากการสำรวจและทดลองอย่างต่อเนื่อง นักวิจัยได้ทำการปรับปรุงมากมายในการเพิ่มประสิทธิภาพผลผลิตและการออกแบบการส่งผ่านของแสงอัลตราไวโอเลตความถี่สูง เทคโนโลยีการวิเคราะห์สเปกตรัมขั้นสูงที่รวมกับแหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตความถี่สูงได้ถูกนำมาใช้เพื่อให้ได้การวัดโครงสร้างวัสดุและกระบวนการไดนามิกอิเล็กทรอนิกส์ที่มีความแม่นยำสูง

การประยุกต์ใช้แหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตแบบเข้มข้น เช่น การวัดสเปกโทรสโกปีอิเล็กตรอนแบบแยกมุม (ARPES) จำเป็นต้องใช้ลำแสงอัลตราไวโอเลตแบบเข้มข้นส่องสว่างไปยังตัวอย่าง อิเล็กตรอนบนพื้นผิวของตัวอย่างจะถูกกระตุ้นให้เข้าสู่สถานะต่อเนื่องโดยแสงอัลตราไวโอเลตแบบเข้มข้น และพลังงานจลน์และมุมการปล่อยของโฟโตอิเล็กตรอนจะมีข้อมูลโครงสร้างแถบพลังงานของตัวอย่าง เครื่องวิเคราะห์อิเล็กตรอนที่มีฟังก์ชันการแยกมุมจะรับโฟโตอิเล็กตรอนที่แผ่รังสีออกมาและได้โครงสร้างแถบพลังงานใกล้กับแถบวาเลนซ์ของตัวอย่าง สำหรับแหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตแบบเข้มข้นที่มีความถี่การทำซ้ำต่ำ เนื่องจากพัลส์เดี่ยวมีโฟตอนจำนวนมาก จึงจะกระตุ้นโฟโตอิเล็กตรอนจำนวนมากบนพื้นผิวตัวอย่างในเวลาอันสั้น และปฏิกิริยาคูลอมบ์จะทำให้การกระจายของพลังงานจลน์ของโฟโตอิเล็กตรอนกว้างขึ้นอย่างมาก ซึ่งเรียกว่าปรากฏการณ์ประจุอวกาศ เพื่อลดอิทธิพลของผลกระทบจากประจุในอวกาศ จำเป็นต้องลดจำนวนโฟโตอิเล็กตรอนที่อยู่ในแต่ละพัลส์ ในขณะที่รักษาระดับฟลักซ์โฟตอนให้คงที่ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องขับเคลื่อนเลเซอร์ด้วยความถี่การทำซ้ำสูง เพื่อสร้างแหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตที่มีความถี่การทำซ้ำสูง

เทคโนโลยีโพรงเรโซแนนซ์เสริมประสิทธิภาพช่วยให้สามารถสร้างฮาร์โมนิกส์ลำดับสูงได้ที่ความถี่การทำซ้ำระดับเมกะเฮิร์ตซ์
เพื่อให้ได้แหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตแบบสุดขั้วที่มีอัตราการทำซ้ำสูงถึง 60 เมกะเฮิร์ตซ์ ทีมวิจัยของโจนส์ที่มหาวิทยาลัยบริติชโคลัมเบียในสหราชอาณาจักร ได้ทำการสร้างฮาร์มอนิกส์ลำดับสูงในโพรงเพิ่มประสิทธิภาพเรโซแนนซ์แบบเฟมโตวินาที (fsEC) เพื่อให้ได้แหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตแบบสุดขั้วที่ใช้งานได้จริง และนำไปประยุกต์ใช้ในการทดลองสเปกโทรสโกปีอิเล็กตรอนแบบแยกมุมตามเวลา (Tr-ARPES) แหล่งกำเนิดแสงนี้สามารถให้ฟลักซ์โฟตอนได้มากกว่า 10¹¹ โฟตอนต่อวินาทีด้วยฮาร์มอนิกส์เดี่ยวที่อัตราการทำซ้ำ 60 เมกะเฮิร์ตซ์ ในช่วงพลังงาน 8 ถึง 40 อิเล็กตรอนโวลต์ พวกเขาใช้ระบบเลเซอร์ไฟเบอร์ที่เจือด้วยอิตเทอร์เบียมเป็นแหล่งกำเนิดเริ่มต้นสำหรับ fsEC และควบคุมลักษณะพัลส์ผ่านการออกแบบระบบเลเซอร์แบบกำหนดเองเพื่อลดสัญญาณรบกวนความถี่ออฟเซ็ตซองคลื่นพาหะ (fCEO) และรักษาคุณลักษณะการบีบอัดพัลส์ที่ดีที่ปลายโซ่ขยายสัญญาณ เพื่อให้เกิดการเพิ่มประสิทธิภาพการสั่นพ้องที่เสถียรภายใน fsEC พวกเขาใช้ลูปควบคุมเซอร์โวสามลูปสำหรับการควบคุมแบบป้อนกลับ ส่งผลให้เกิดการรักษาเสถียรภาพเชิงรุกที่สององศาอิสระ ได้แก่ เวลาเดินทางไปกลับของการวนรอบพัลส์ภายใน fsEC ตรงกับคาบของพัลส์เลเซอร์ และการเลื่อนเฟสของตัวพาของสนามไฟฟ้าเมื่อเทียบกับซองพัลส์ (เช่น เฟสซองตัวพา ϕCEO)

ด้วยการใช้ก๊าซคริปตอนเป็นก๊าซทำงาน ทีมวิจัยประสบความสำเร็จในการสร้างฮาร์มอนิกส์ลำดับสูงใน fsEC พวกเขาทำการวัด Tr-ARPES ของกราไฟต์และสังเกตการเกิดเทอร์มิเอชันอย่างรวดเร็วและการรวมตัวกันอย่างช้าๆ ของประชากรอิเล็กตรอนที่ไม่ถูกกระตุ้นด้วยความร้อน รวมถึงพลวัตของสถานะที่ถูกกระตุ้นโดยตรงโดยไม่ใช้ความร้อนใกล้ระดับเฟอร์มิเหนือ 0.6 eV แหล่งกำเนิดแสงนี้เป็นเครื่องมือสำคัญสำหรับการศึกษาโครงสร้างอิเล็กตรอนของวัสดุที่ซับซ้อน อย่างไรก็ตาม การสร้างฮาร์มอนิกส์ลำดับสูงใน fsEC มีข้อกำหนดที่สูงมากสำหรับค่าการสะท้อนแสง การชดเชยการกระจาย การปรับความยาวของโพรงอย่างละเอียด และการล็อกการซิงโครไนซ์ ซึ่งจะส่งผลกระทบอย่างมากต่อตัวคูณการเพิ่มประสิทธิภาพของโพรงที่เพิ่มประสิทธิภาพด้วยเรโซแนนซ์ ในขณะเดียวกัน การตอบสนองเฟสแบบไม่เชิงเส้นของพลาสมาที่จุดโฟกัสของโพรงก็เป็นความท้าทายเช่นกัน ดังนั้นในปัจจุบัน แหล่งกำเนิดแสงประเภทนี้จึงยังไม่กลายเป็นแหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตแบบสุดขั้วกระแสหลักแหล่งกำเนิดแสงฮาร์มอนิกสูง.