التطورات في الأشعة فوق البنفسجية المتطرفةتكنولوجيا مصدر الضوء
في السنوات الأخيرة، حظيت مصادر الأشعة فوق البنفسجية ذات التوافقيات العالية باهتمام واسع في مجال ديناميكيات الإلكترونات نظرًا لتماسكها القوي، وقصر مدة نبضاتها، وطاقة الفوتون العالية، وقد استُخدمت في دراسات طيفية وتصويرية متنوعة. ومع تقدم التكنولوجيا، أصبح هذامصدر الضوءيتطور هذا التطور نحو ترددات تكرار أعلى، وتدفق فوتون أعلى، وطاقة فوتون أعلى، وعرض نبضة أقصر. لا يقتصر هذا التطور على تحسين دقة قياس مصادر الضوء فوق البنفسجي الشديد فحسب، بل يوفر أيضًا إمكانيات جديدة لاتجاهات التطور التكنولوجي المستقبلية. لذلك، تُعد الدراسة والفهم المتعمق لمصادر الضوء فوق البنفسجي الشديد عالية التردد ذات التكرار العالي أمرًا بالغ الأهمية لإتقان وتطبيق أحدث التقنيات.
في قياسات مطيافية الإلكترونات على مقاييس زمنية بالفيمتوثانية والأتوثانية، غالبًا ما يكون عدد الأحداث المقاسة في حزمة واحدة غير كافٍ، مما يجعل مصادر الضوء منخفضة التردد غير كافية للحصول على إحصاءات موثوقة. في الوقت نفسه، سيقلل مصدر الضوء ذو تدفق الفوتون المنخفض نسبة الإشارة إلى الضوضاء في التصوير المجهري خلال فترة التعرض المحدودة. من خلال الاستكشاف والتجارب المستمرة، حقق الباحثون العديد من التحسينات في تحسين العائد وتصميم انتقال الضوء فوق البنفسجي الشديد عالي التردد. وقد استُخدمت تقنية التحليل الطيفي المتقدمة، إلى جانب مصدر الضوء فوق البنفسجي الشديد عالي التردد، لتحقيق قياس عالي الدقة لبنية المادة والعملية الديناميكية الإلكترونية.
تتطلب تطبيقات مصادر الضوء فوق البنفسجي المتطرف، مثل قياسات مطيافية الإلكترونات ذات التحليل الزاوي (ARPES)، شعاعًا من الضوء فوق البنفسجي المتطرف لإضاءة العينة. تُثار الإلكترونات الموجودة على سطح العينة إلى الحالة المستمرة بواسطة الضوء فوق البنفسجي المتطرف، وتحتوي الطاقة الحركية وزاوية انبعاث الإلكترونات الضوئية على معلومات بنية النطاق للعينة. يستقبل محلل الإلكترونات ذو دالة دقة الزاوية الإلكترونات الضوئية المشعة ويحصل على بنية النطاق بالقرب من نطاق التكافؤ للعينة. بالنسبة لمصدر الضوء فوق البنفسجي المتطرف منخفض التردد المتكرر، نظرًا لاحتواء نبضته المفردة على عدد كبير من الفوتونات، فإنه سيثير عددًا كبيرًا من الإلكترونات الضوئية على سطح العينة في وقت قصير، وسيؤدي تفاعل كولومب إلى اتساع كبير في توزيع الطاقة الحركية للالإلكترونات الضوئية، وهو ما يسمى بتأثير الشحنة المكانية. من أجل تقليل تأثير تأثير الشحنة الفضائية، من الضروري تقليل الإلكترونات الضوئية الموجودة في كل نبضة مع الحفاظ على تدفق الفوتون الثابت، لذلك من الضروري دفعالليزرمع تردد تكرار عالي لإنتاج مصدر ضوء فوق بنفسجي شديد مع تردد تكرار عالي.
تحقق تقنية تجويف الرنين المعزز توليد التوافقيات عالية المستوى عند تردد التكرار ميغا هرتز
للحصول على مصدر ضوء فوق بنفسجي شديد بمعدل تكرار يصل إلى 60 ميجاهرتز، أجرى فريق جونز في جامعة كولومبيا البريطانية بالمملكة المتحدة توليد توافقيات عالية الرتبة في تجويف تعزيز الرنين بالفيمتوثانية (fsEC) لتحقيق مصدر ضوء فوق بنفسجي شديد عملي، وطبقوه في تجارب مطيافية الإلكترونات ذات التحليل الزاوي الزمني (Tr-ARPES). يستطيع مصدر الضوء توليد تدفق فوتوني يزيد عن 1011 فوتونًا في الثانية بتوافقية واحدة بمعدل تكرار 60 ميجاهرتز في نطاق طاقة يتراوح بين 8 و40 إلكترون فولت. استخدم الباحثون نظام ليزر ليفي مُشبّع بالإيتربيوم كمصدر أساسي لتجويف تعزيز الرنين بالفيمتوثانية، وتحكموا في خصائص النبضات من خلال تصميم نظام ليزر مُخصص لتقليل ضوضاء تردد إزاحة غلاف الناقل (fCEO) والحفاظ على خصائص ضغط نبضات جيدة في نهاية سلسلة المُضخّم. لتحقيق تعزيز الرنين المستقر داخل fsEC، يستخدمون ثلاث حلقات تحكم سيرفو للتحكم في ردود الفعل، مما يؤدي إلى تثبيت نشط عند درجتين من الحرية: يتطابق وقت الذهاب والإياب لدورة النبضة داخل fsEC مع فترة نبضة الليزر، وتحول الطور لحامل المجال الكهربائي فيما يتعلق بغلاف النبضة (أي طور غلاف الناقل، ϕCEO).
باستخدام غاز الكريبتون كغاز عامل، نجح فريق البحث في توليد توافقيات عالية المستوى في الكهروضوئية الكهربية (fsEC). أجرى الفريق قياسات Tr-ARPES للجرافيت، ولاحظوا تفاعلًا حراريًا سريعًا، ثم إعادة تركيب بطيئة لمجموعات الإلكترونات غير المثارة حراريًا، بالإضافة إلى ديناميكيات الحالات غير المثارة حراريًا مباشرةً بالقرب من مستوى فيرمي فوق 0.6 إلكترون فولت. يوفر هذا المصدر الضوئي أداة مهمة لدراسة البنية الإلكترونية للمواد المعقدة. ومع ذلك، فإن توليد التوافقيات عالية المستوى في الكهروضوئية الكهربية الكهربية يتطلب متطلبات عالية جدًا فيما يتعلق بالانعكاسية، وتعويض التشتت، والضبط الدقيق لطول التجويف، وقفل التزامن، مما يؤثر بشكل كبير على مضاعفات التجويف المعزز بالرنين. في الوقت نفسه، تُشكل استجابة الطور غير الخطية للبلازما عند النقطة البؤرية للتجويف تحديًا أيضًا. لذلك، لم يصبح هذا النوع من مصادر الضوء هو السائد حاليًا في مجال الأشعة فوق البنفسجية المتطرفة.مصدر ضوء عالي التوافقيات.
وقت النشر: ٢٩ أبريل ٢٠٢٤