極端紫外光源技術の進歩

極端紫外線の進歩光源技術

近年、極紫外線高調波源は、その強いコヒーレンス、短いパルス持続時間、高い光子エネルギーにより、電子動力学の分野で広く注目を集めており、さまざまなスペクトル研究やイメージング研究に使用されています。テクノロジーの進歩により、これは光源より高い繰り返し周波数、より高い光子束、より高い光子エネルギー、そしてより短いパルス幅に向かって発展しています。この進歩は、極端紫外光源の測定分解能を最適化するだけでなく、将来の技術開発トレンドに新たな可能性をもたらします。したがって、高繰り返し周波数の極端紫外光源を深く研究し、理解することは、最先端技術を習得し、応用する上で非常に重要です。

フェムト秒およびアト秒の時間スケールでの電子分光測定の場合、単一ビームで測定されるイベントの数が不十分なことが多く、低周波光源では信頼性の高い統計を取得するには不十分です。同時に、光子束が低い光源は、限られた露光時間中の顕微鏡イメージングの信号対雑音比を低下させます。継続的な探査と実験を通じて、研究者は収量の最適化と高繰り返し周波数の極紫外光の伝送設計において多くの改善を行ってきました。高度なスペクトル分析技術と高繰り返し周波数の極端紫外光源を組み合わせて、材料構造と電子動的プロセスの高精度測定を実現しました。

角度分解電子分光法 (ARPES) 測定などの極端紫外光源のアプリケーションでは、サンプルを照らすために極端紫外光のビームが必要です。試料表面の電子は極紫外光によって励起されて連続状態となり、光電子の運動エネルギーや放出角度には試料のバンド構造情報が含まれています。角度分解機能を備えた電子分析装置は、放射された光電子を受光し、試料の価電子帯付近のバンド構造を取得します。繰り返し周波数の低い極紫外光源の場合、単一パルスに多くの光子が含まれるため、短時間に試料表面に多数の光電子が励起され、クーロン相互作用により分布が大幅に拡大します。空間電荷効果と呼ばれる光電子の運動エネルギー。空間電荷効果の影響を軽減するには、光子束を一定に保ちながら各パルスに含まれる光電子を減らす必要があるため、レーザ高い繰り返し周波数の極紫外光源を生成します。

共振強化キャビティ技術により、MHz 繰り返し周波数での高次高調波の生成を実現
最大 60 MHz の繰り返し速度の極端紫外光源を得るために、英国のブリティッシュ コロンビア大学のジョーンズ チームは、フェムト秒共鳴増強空洞 (fsEC) で高次高調波の生成を実行し、実用的な周波数を達成しました。極紫外光源を利用し、それを時間分解角度分解電子分光法 (Tr-ARPES) 実験に適用しました。この光源は、8 ～ 40 eV のエネルギー範囲で 60 MHz の繰り返し率で単一高調波を使用して、1 秒あたり 1011 個を超える光子数の光子束を供給できます。彼らは、fsEC のシード ソースとしてイッテルビウム ドープ ファイバー レーザー システムを使用し、カスタマイズされたレーザー システム設計を通じてパルス特性を制御して、キャリア エンベロープ オフセット周波数 (fCEO) ノイズを最小限に抑え、増幅器チェーンの端で良好なパルス圧縮特性を維持しました。 fsEC 内で安定した共振強化を実現するために、フィードバック制御に 3 つのサーボ制御ループを使用し、その結果 2 つの自由度でアクティブな安定化が実現します。つまり、fsEC 内のパルス サイクリングの往復時間はレーザー パルス周期と一致し、位相シフトは一致します。パルス包絡線に対する電界搬送波の位相（つまり、搬送波包絡線位相、φCEO）。

研究チームは、作動ガスとしてクリプトンガスを使用することで、fsECでの高次高調波の生成に成功しました。彼らはグラファイトのTr-ARPES測定を実施し、急速な熱処理とそれに続く非熱励起電子集団のゆっくりとした再結合、さらに0.6 eVを超えるフェルミ準位付近の非熱直接励起状態のダイナミクスを観察した。この光源は、複雑な材料の電子構造を研究するための重要なツールを提供します。ただし、fsEC での高次高調波の生成には、反射率、分散補償、キャビティ長の微調整、同期ロックなどの非常に高い要件があり、共振増強キャビティの増強倍数に大きな影響を与えます。同時に、キャビティの焦点におけるプラズマの非線形位相応答も課題です。したがって、現時点ではこの種の光源は主流になっていません。高調波光源.