極端紫外線光源技術の進歩

極端紫外線の進歩光源技術

近年、極端紫外線高調波光源は、その強いコヒーレンス、短いパルス幅、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、様々なスペクトル研究やイメージング研究に利用されています。技術の進歩により、この光源は光源極端紫外線光源は、高繰り返し周波数、高光子束、高光子エネルギー、そして短パルス​​幅へと発展しています。この進歩は、極端紫外線光源の測定分解能を最適化するだけでなく、将来の技術開発動向に新たな可能性をもたらします。したがって、高繰り返し周波数極端紫外線光源の詳細な研究と理解は、最先端技術の習得と応用にとって極めて重要です。

フェムト秒およびアト秒の時間スケールにおける電子分光測定では、単一ビームで測定されるイベント数がしばしば不十分であり、低周波数光源では信頼性の高い統計値を得るのに不十分です。同時に、光子束の低い光源は、限られた露光時間内での顕微鏡画像の信号対雑音比を低下させます。研究者たちは継続的な探求と実験を通じて、高周波数極端紫外光の収量最適化と透過率設計において多くの改良を行ってきました。高度なスペクトル分析技術と高周波数極端紫外光源を組み合わせることで、物質構造や電子動力学過程の高精度測定を実現しています。

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、試料に照射する極端紫外光ビームが必要です。試料表面の電子は極端紫外光によって連続状態に励起され、光電子の運動エネルギーと放出角度から試料のバンド構造情報が得られます。角度分解機能を備えた電子分析装置は、放出された光電子を受光し、試料の価電子帯近傍のバンド構造を取得します。低繰り返し周波数の極端紫外光源の場合、単一パルスに多数の光子が含まれるため、短時間で試料表面に多数の光電子が励起されます。クーロン相互作用により、光電子の運動エネルギー分布が大きく広がり、空間電荷効果と呼ばれる現象が発生します。空間電荷効果の影響を低減するには、光子束を一定に保ちながら、各パルスに含まれる光電子数を減らす必要があります。そのため、光源を駆動する際には、レーザ高繰り返し周波数で動作し、高繰り返し周波数の極端紫外線光源を生成します。

共鳴強化空洞技術は、MHz繰り返し周波数での高次高調波の生成を実現します。
英国ブリティッシュコロンビア大学のジョーンズチームは、繰り返し周波数が最大60MHzの極端紫外光源を得るために、フェムト秒共鳴増強空洞（fsEC）で高次高調波発生を行い、実用的な極端紫外光源を実現し、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、8～40eVのエネルギー範囲で、繰り返し周波数60MHzの単一高調波で1秒あたり1011光子以上の光子束を発生できます。 彼らはイッテルビウム添加ファイバーレーザーシステムをfsECのシード光源として使用し、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、搬送波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、増幅器チェーンの最後で良好なパルス圧縮特性を維持しました。 fsEC 内で安定した共鳴増強を実現するために、フィードバック制御用の 3 つのサーボ制御ループが使用され、2 つの自由度でアクティブな安定化が実現しました。つまり、fsEC 内でのパルスサイクルの往復時間はレーザーパルス周期と一致し、パルスエンベロープに対する電界キャリアの位相シフト (つまり、キャリアエンベロープ位相、ϕCEO) が一致します。

研究チームは、クリプトンガスを作動ガスとして用いることで、fsECにおける高次高調波の発生に成功した。グラファイトのTr-ARPES測定を行い、非熱励起電子集団の急速な熱励起とそれに続く緩やかな再結合、そして0.6 eV以上のフェルミ準位付近における非熱的直接励起状態のダイナミクスを観測した。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となる。しかし、fsECにおける高次高調波の発生には、反射率、分散補償、共振器長の微調整、同期ロックなど、非常に高い要件が求められ、共鳴増強共振器の増強倍率に大きく影響する。同時に、共振器焦点におけるプラズマの非線形位相応答も課題となっている。そのため、現在、この種の光源は極端紫外線光源の主流にはなっていない。高調波光源.