التقدم في تكنولوجيا مصدر الضوء فوق البنفسجي الشديد

التقدم في الأشعة فوق البنفسجية القصوىتكنولوجيا مصدر الضوء

في السنوات الأخيرة، جذبت المصادر التوافقية العالية للأشعة فوق البنفسجية اهتمامًا واسعًا في مجال ديناميكيات الإلكترون بسبب تماسكها القوي ومدة النبضة القصيرة وطاقة الفوتون العالية، وقد تم استخدامها في العديد من الدراسات الطيفية والتصويرية. ومع تقدم التكنولوجيا هذامصدر الضوءيتطور نحو تردد تكرار أعلى، وتدفق فوتون أعلى، وطاقة فوتون أعلى وعرض نبض أقصر. لا يؤدي هذا التقدم إلى تحسين دقة قياس مصادر الضوء فوق البنفسجي الشديد فحسب، بل يوفر أيضًا إمكانيات جديدة لاتجاهات التطوير التكنولوجي المستقبلية. ولذلك، فإن الدراسة المتعمقة وفهم مصدر الضوء فوق البنفسجي الشديد التردد العالي التكرار له أهمية كبيرة لإتقان وتطبيق التكنولوجيا المتطورة.

بالنسبة لقياسات التحليل الطيفي الإلكتروني على المقاييس الزمنية بالفيمتو ثانية والأتوثانية، غالبًا ما يكون عدد الأحداث المقاسة في شعاع واحد غير كافٍ، مما يجعل مصادر الضوء منخفضة التردد غير كافية للحصول على إحصائيات موثوقة. وفي الوقت نفسه، فإن مصدر الضوء ذو تدفق الفوتون المنخفض سيقلل من نسبة الإشارة إلى الضوضاء في التصوير المجهري خلال وقت التعرض المحدود. من خلال الاستكشاف والتجارب المستمرة، قام الباحثون بإجراء العديد من التحسينات في تحسين إنتاجية وتصميم نقل الضوء فوق البنفسجي الشديد التردد العالي التكرار. تم استخدام تقنية التحليل الطيفي المتقدمة جنبًا إلى جنب مع مصدر الضوء فوق البنفسجي الشديد التردد العالي التكرار لتحقيق قياس عالي الدقة لهيكل المادة والعملية الديناميكية الإلكترونية.

تتطلب تطبيقات مصادر الضوء فوق البنفسجي الشديد، مثل قياسات التحليل الطيفي الإلكتروني الزاوي (ARPES)، شعاعًا من الضوء فوق البنفسجي الشديد لإضاءة العينة. يتم تحفيز الإلكترونات الموجودة على سطح العينة إلى الحالة المستمرة بواسطة الضوء فوق البنفسجي الشديد، وتحتوي الطاقة الحركية وزاوية الانبعاث للإلكترونات الضوئية على معلومات بنية النطاق للعينة. يستقبل محلل الإلكترون المزود بوظيفة دقة الزاوية الإلكترونات الضوئية المشعة ويحصل على بنية النطاق بالقرب من نطاق التكافؤ للعينة. بالنسبة لمصدر الضوء فوق البنفسجي الشديد ذو التردد المنخفض، نظرًا لأن نبضه الفردي يحتوي على عدد كبير من الفوتونات، فإنه سيثير عددًا كبيرًا من الإلكترونات الضوئية على سطح العينة في وقت قصير، وسيؤدي تفاعل كولوم إلى توسيع خطير للتوزيع من الطاقة الحركية للإلكترونات الضوئية، والتي تسمى تأثير الشحنة الفضائية. من أجل تقليل تأثير الشحنة الفضائية، من الضروري تقليل الإلكترونات الضوئية الموجودة في كل نبضة مع الحفاظ على تدفق الفوتون المستمر، لذلك من الضروري قيادةالليزرمع تردد تكرار عالي لإنتاج مصدر الضوء فوق البنفسجي الشديد بتردد تكرار عالي.

تحقق تقنية التجويف المعزز بالرنين توليد توافقيات عالية الترتيب عند تردد تكرار ميغاهيرتز
من أجل الحصول على مصدر ضوء فوق بنفسجي شديد بمعدل تكرار يصل إلى 60 ميجاهرتز، أجرى فريق جونز في جامعة كولومبيا البريطانية في المملكة المتحدة توليد توافقي عالي المستوى في تجويف تعزيز رنين الفيمتو ثانية (fsEC) لتحقيق نتيجة عملية. مصدر الضوء فوق البنفسجي الشديد وتطبيقه على تجارب التحليل الطيفي الإلكتروني الزاوي الذي تم حله بالوقت (Tr-ARPES). مصدر الضوء قادر على توفير تدفق فوتون لأكثر من 1011 رقم فوتون في الثانية مع توافقي واحد بمعدل تكرار 60 ميجاهرتز في نطاق الطاقة من 8 إلى 40 فولت. لقد استخدموا نظام ليزر ألياف مشبع بالإيتربيوم كمصدر أولي لـ fsEC، وخصائص النبض المتحكم فيها من خلال تصميم نظام ليزر مخصص لتقليل ضوضاء تردد إزاحة الغلاف الحامل (fCEO) والحفاظ على خصائص ضغط النبض الجيدة في نهاية سلسلة مكبر الصوت. لتحقيق تعزيز الرنين المستقر داخل fsEC، يستخدمون ثلاث حلقات تحكم مؤازرة للتحكم في ردود الفعل، مما يؤدي إلى استقرار نشط عند درجتين من الحرية: يتطابق وقت الرحلة ذهابًا وإيابًا لدورة النبض داخل fsEC مع فترة نبض الليزر، وتحول الطور لحامل المجال الكهربائي بالنسبة إلى غلاف النبضة (أي طور غلاف الموجة الحاملة، ϕCEO).

وباستخدام غاز الكريبتون كغاز عامل، حقق فريق البحث توليد توافقيات ذات ترتيب أعلى في fsEC. لقد أجروا قياسات Tr-ARPES للجرافيت، ولاحظوا التسخين السريع وإعادة التركيب البطيء اللاحق لمجموعات الإلكترون غير المثارة حراريًا، بالإضافة إلى ديناميكيات الحالات غير المثارة حراريًا بشكل مباشر بالقرب من مستوى فيرمي أعلى من 0.6 فولت. يوفر مصدر الضوء هذا أداة مهمة لدراسة البنية الإلكترونية للمواد المعقدة. ومع ذلك، فإن توليد التوافقيات عالية الترتيب في fsEC له متطلبات عالية جدًا للانعكاس، وتعويض التشتت، والضبط الدقيق لطول التجويف وقفل التزامن، مما سيؤثر بشكل كبير على مضاعف التعزيز للتجويف المعزز بالرنين. وفي الوقت نفسه، تمثل استجابة الطور غير الخطي للبلازما عند النقطة المحورية للتجويف تحديًا أيضًا. لذلك، في الوقت الحاضر، لم يصبح هذا النوع من مصادر الضوء هو الأشعة فوق البنفسجية المتطرفة السائدةمصدر الضوء التوافقي العالي.