극자외선 광원 기술의 발전

극자외선 분야의 발전광원 기술

최근 몇 년 동안 극자외선 고조파 발생기는 강한 결맞음, 짧은 펄스 지속 시간 및 높은 광자 에너지로 인해 전자 역학 분야에서 널리 주목받고 있으며 다양한 분광 및 영상 연구에 활용되고 있습니다. 기술의 발전과 함께,광원극자외선 광원은 반복 주파수, 광자 플럭스, 광자 에너지 및 펄스 폭을 높이는 방향으로 발전하고 있습니다. 이러한 발전은 극자외선 광원의 측정 해상도를 최적화할 뿐만 아니라 미래 기술 개발 동향에 새로운 가능성을 제시합니다. 따라서 고반복 주파수 극자외선 광원에 대한 심층적인 연구와 이해는 최첨단 기술을 습득하고 적용하는 데 매우 중요합니다.

펨토초 및 아토초 시간 스케일의 전자 분광 측정에서 단일 빔에서 측정되는 이벤트 수가 종종 부족하여 낮은 반복 주파수 광원으로는 신뢰할 수 있는 통계 데이터를 얻기 어렵습니다. 동시에 광자 플럭스가 낮은 광원은 제한된 노출 시간 동안 미세 이미징의 신호 대 잡음비를 저하시킵니다. 연구자들은 지속적인 연구와 실험을 통해 고반복 주파수 극자외선 광원의 수율 최적화 및 투과 설계에 많은 개선을 이루었습니다. 첨단 분광 분석 기술과 고반복 주파수 극자외선 광원을 결합하여 재료 구조 및 전자 동역학 과정의 고정밀 측정을 구현했습니다.

극자외선 광원을 사용하는 각도 분해 전자 분광법(ARPES) 측정과 같은 응용 분야에서는 시료에 극자외선 빔을 조사해야 합니다. 시료 표면의 전자는 극자외선에 의해 연속적인 상태로 여기되며, 광전자의 운동 에너지와 방출 각도에는 시료의 밴드 구조 정보가 담겨 있습니다. 각도 분해능 기능을 갖춘 전자 분석기는 방출된 광전자를 수신하여 시료의 원자가 밴드 근처의 밴드 구조를 얻습니다. 낮은 반복 주파수의 극자외선 광원은 단일 펄스에 많은 광자가 포함되어 있어 짧은 시간 내에 시료 표면에서 많은 광전자를 여기시키고, 쿨롱 상호작용으로 인해 광전자 운동 에너지 분포가 크게 넓어지는 공간 전하 효과를 나타냅니다. 공간전하 효과의 영향을 줄이기 위해서는 일정한 광자속을 유지하면서 각 펄스에 포함된 광전자 수를 줄여야 하므로, 이를 위해서는 구동이 필요합니다.원자 램프높은 반복 주파수를 이용하여 고반복 주파수의 극자외선 광원을 생성합니다.

공진 증강 공동 기술은 MHz 반복 주파수에서 고차 고조파를 생성하는 것을 실현합니다.
영국 브리티시컬럼비아 대학교의 존스 연구팀은 최대 60MHz의 반복률을 갖는 극자외선 광원을 얻기 위해 펨토초 공명 증강 공동(fsEC)에서 고차 고조파 발생을 수행하여 실용적인 극자외선 광원을 구현하고 이를 시간 분해능 각도 분해 전자 분광법(Tr-ARPES) 실험에 적용했습니다. 이 광원은 8~40eV 에너지 범위에서 60MHz의 반복률로 단일 고조파를 초당 10¹¹개 이상의 광자 플럭스로 생성할 수 있습니다. 연구팀은 fsEC의 시드 광원으로 이터븀 도핑 섬유 레이저 시스템을 사용했으며, 맞춤형 레이저 시스템 설계를 통해 펄스 특성을 제어하여 캐리어 엔벨로프 오프셋 주파수(fCEO) 잡음을 최소화하고 증폭기 체인 끝단에서 우수한 펄스 압축 특성을 유지했습니다. fsEC 내에서 안정적인 공명 증폭을 달성하기 위해, 그들은 피드백 제어를 위해 3개의 서보 제어 루프를 사용하며, 그 결과 두 가지 자유도에서 능동적인 안정화가 이루어집니다. 즉, fsEC 내에서 펄스 순환의 왕복 시간이 레이저 펄스 주기와 일치하고, 펄스 엔벨로프에 대한 전기장 캐리어의 위상차(즉, 캐리어 엔벨로프 위상, ϕCEO)가 안정화됩니다.

연구팀은 크립톤 가스를 작동 가스로 사용하여 펨토초 전기광학(fsEC)에서 고차 고조파 발생에 성공했습니다. 흑연에 대한 Tr-ARPES 측정을 수행하여 비열적으로 여기된 전자 집단의 빠른 열 여기 및 이후 느린 재결합, 그리고 0.6 eV 이상의 페르미 준위 근처에서 비열적으로 직접 여기된 상태의 동역학을 관찰했습니다. 이 광원은 복잡한 물질의 전자 구조 연구에 중요한 도구를 제공합니다. 그러나 fsEC에서 고차 고조파를 발생시키려면 반사율, 분산 보상, 공진기 길이의 미세 조정 및 동기화 잠금에 대한 요구 조건이 매우 높아 공진 증강 공진기의 증폭 배율에 큰 영향을 미칩니다. 동시에 공진기 초점에서의 플라즈마의 비선형 위상 응답 또한 해결해야 할 과제입니다. 따라서 현재 이러한 종류의 광원은 극자외선 분야에서 주류로 자리 잡지 못했습니다.고조파 광원.