پیشرفت در فناوری منبع نور فرابنفش شدید

پیشرفت در اشعه ماوراء بنفش شدیدفناوری منبع نور

در سال‌های اخیر، منابع ماوراء بنفش شدید با هارمونیک بالا به دلیل انسجام قوی، مدت زمان پالس کوتاه و انرژی فوتون بالا، توجه گسترده‌ای را در زمینه دینامیک الکترون به خود جلب کرده‌اند و در مطالعات مختلف طیفی و تصویربرداری مورد استفاده قرار گرفته‌اند. با پیشرفت تکنولوژی، اینمنبع نوربه سمت فرکانس تکرار بالاتر، شار فوتون بیشتر، انرژی فوتون بالاتر و عرض پالس کوتاه تر در حال توسعه است. این پیشرفت نه تنها وضوح اندازه گیری منابع نور فرابنفش شدید را بهینه می کند، بلکه امکانات جدیدی را برای روند توسعه فناوری آینده فراهم می کند. بنابراین، مطالعه عمیق و درک منبع نور فرابنفش شدید فرکانس تکرار بالا برای تسلط و بکارگیری فناوری پیشرفته اهمیت زیادی دارد.

برای اندازه‌گیری‌های طیف‌سنجی الکترونی در مقیاس‌های زمانی فمتوثانیه و آتوثانیه، تعداد رویدادهایی که در یک پرتو اندازه‌گیری می‌شوند، اغلب کافی نیست و منابع نور با فرکانس پایین برای به دست آوردن آمار قابل اعتماد کافی نیستند. در عین حال، منبع نور با شار فوتون کم، نسبت سیگنال به نویز تصویربرداری میکروسکوپی را در طول زمان نوردهی محدود کاهش می‌دهد. از طریق اکتشافات و آزمایش‌های مداوم، محققان پیشرفت‌های زیادی در بهینه‌سازی بازده و طراحی انتقال نور فرابنفش شدید فرکانس‌های تکرار بالا ایجاد کرده‌اند. فن آوری تجزیه و تحلیل طیفی پیشرفته همراه با منبع نور فرابنفش شدید فرکانس تکرار بالا برای دستیابی به اندازه گیری دقیق ساختار مواد و فرآیند دینامیکی الکترونیکی استفاده شده است.

کاربردهای منابع نور فرابنفش شدید، مانند اندازه‌گیری‌های طیف‌سنجی الکترونی با تفکیک زاویه‌ای (ARPES)، نیاز به پرتوی از نور فرابنفش شدید برای روشن کردن نمونه دارد. الکترون های روی سطح نمونه توسط نور شدید فرابنفش به حالت پیوسته برانگیخته می شوند و انرژی جنبشی و زاویه گسیل فوتوالکترون ها حاوی اطلاعات ساختار نواری نمونه است. تحلیلگر الکترونی با تابع تفکیک زاویه، فوتوالکترونهای تابیده شده را دریافت می کند و ساختار نواری را در نزدیکی باند ظرفیت نمونه بدست می آورد. برای منبع نور فرابنفش شدید فرکانس تکرار کم، به دلیل اینکه تک پالس آن حاوی تعداد زیادی فوتون است، تعداد زیادی فوتوالکترون را در سطح نمونه در مدت زمان کوتاهی تحریک می کند و برهمکنش کولن باعث گسترش جدی توزیع می شود. انرژی جنبشی فوتوالکترون که به آن اثر بار فضایی می گویند. به منظور کاهش تأثیر بار فضایی، لازم است فوتوالکترون های موجود در هر پالس را با حفظ شار فوتون ثابت کاهش دهیم، بنابراین لازم استلیزربا فرکانس تکرار بالا برای تولید منبع نور فرابنفش شدید با فرکانس تکرار بالا.

فناوری حفره تقویت‌شده رزونانس، تولید هارمونیک‌های مرتبه بالا را در فرکانس تکرار مگاهرتز محقق می‌کند
به منظور دستیابی به یک منبع نور فرابنفش شدید با سرعت تکرار تا 60 مگاهرتز، تیم جونز در دانشگاه بریتیش کلمبیا در بریتانیا تولید هارمونیک مرتبه بالا را در یک حفره افزایش تشدید فمتوثانیه (fsEC) برای دستیابی به یک عملکرد عملی انجام داد. منبع نور ماوراء بنفش شدید و آن را در آزمایش‌های طیف‌سنجی الکترونی با تفکیک زاویه‌ای با تفکیک زمان (Tr-ARPES) به کار بردند. منبع نور قادر است شار فوتونی بیش از 1011 عدد فوتون در ثانیه را با یک هارمونیک منفرد با سرعت تکرار 60 مگاهرتز در محدوده انرژی 8 تا 40 eV ارائه دهد. آنها از یک سیستم لیزر فیبر دوپ شده با ایتربیوم به عنوان منبع بذری برای fsEC استفاده کردند و ویژگی‌های پالس را از طریق طراحی سیستم لیزری سفارشی‌شده کنترل کردند تا نویز فرکانس افست پاکت حامل (fCEO) را به حداقل برسانند و ویژگی‌های فشرده‌سازی پالس خوبی را در انتهای زنجیره تقویت‌کننده حفظ کنند. برای دستیابی به بهبود رزونانس پایدار در fsEC، آنها از سه حلقه کنترل سروو برای کنترل بازخورد استفاده می‌کنند که منجر به تثبیت فعال در دو درجه آزادی می‌شود: زمان رفت و برگشت چرخه پالس در fsEC با دوره پالس لیزر و تغییر فاز مطابقت دارد. حامل میدان الکتریکی با توجه به پوشش پالس (یعنی فاز پوشش حامل، ϕCEO).

با استفاده از گاز کریپتون به عنوان گاز فعال، تیم تحقیقاتی به تولید هارمونیک های مرتبه بالاتر در fsEC دست یافتند. آن‌ها اندازه‌گیری‌های Tr-ARPES گرافیت را انجام دادند و گرمایش سریع و متعاقب آن بازترکیب آهسته جمعیت‌های الکترونی غیربرانگیخته و همچنین پویایی حالت‌های غیر مستقیم برانگیخته حرارتی در نزدیکی سطح فرمی بالای 0.6 eV را مشاهده کردند. این منبع نور ابزار مهمی برای مطالعه ساختار الکترونیکی مواد پیچیده فراهم می کند. با این حال، تولید هارمونیک‌های مرتبه بالا در fsEC نیازمندی‌های بسیار بالایی برای بازتاب، جبران پراکندگی، تنظیم دقیق طول حفره و قفل همگام‌سازی است، که تا حد زیادی بر افزایش مضرب حفره تقویت‌شده با رزونانس تأثیر می‌گذارد. در همان زمان، پاسخ فاز غیر خطی پلاسما در نقطه کانونی حفره نیز یک چالش است. بنابراین، در حال حاضر، این نوع منبع نور به جریان اصلی ماوراء بنفش شدید تبدیل نشده استمنبع نور با هارمونیک بالا.