Progrès dans le domaine des ultraviolets extrêmestechnologie des sources lumineuses
Ces dernières années, les sources d'harmoniques d'ordre élevé dans l'ultraviolet extrême ont suscité un vif intérêt dans le domaine de la dynamique électronique en raison de leur forte cohérence, de la courte durée de leurs impulsions et de leur énergie photonique élevée, et ont été utilisées dans diverses études spectrales et d'imagerie. Avec les progrès technologiques, cettesource lumineuseLe développement de ces sources de lumière ultraviolette extrême (EUV) s'oriente vers une fréquence de répétition plus élevée, un flux de photons plus important, une énergie photonique plus élevée et une durée d'impulsion plus courte. Cette avancée optimise non seulement la résolution de mesure des sources EUV, mais ouvre également de nouvelles perspectives pour les développements technologiques futurs. Par conséquent, l'étude et la compréhension approfondies des sources EUV à haute fréquence de répétition revêtent une importance capitale pour la maîtrise et l'application de cette technologie de pointe.
Pour les mesures de spectroscopie électronique à l'échelle de la femtoseconde et de l'attoseconde, le nombre d'événements mesurés dans un seul faisceau est souvent insuffisant, ce qui rend les sources lumineuses à basse fréquence inadaptées à l'obtention de statistiques fiables. Parallèlement, une source lumineuse à faible flux de photons réduit le rapport signal/bruit de l'imagerie microscopique durant le temps d'exposition limité. Grâce à des recherches et des expérimentations continues, les chercheurs ont réalisé de nombreuses améliorations dans l'optimisation du rendement et la conception de la transmission de la lumière ultraviolette extrême à haute fréquence de répétition. L'association de technologies d'analyse spectrale avancées avec ces sources a permis d'obtenir des mesures de haute précision de la structure des matériaux et des processus dynamiques électroniques.
Les applications des sources de lumière ultraviolette extrême (EUV), telles que les mesures de spectroscopie électronique à résolution angulaire (ARPES), nécessitent un faisceau de lumière EUV pour illuminer l'échantillon. Les électrons à la surface de l'échantillon sont excités vers un état continu par cette lumière, et l'énergie cinétique et l'angle d'émission des photoélectrons contiennent des informations sur la structure de bande de l'échantillon. L'analyseur d'électrons, doté d'une fonction de résolution angulaire, reçoit les photoélectrons émis et détermine la structure de bande au voisinage de la bande de valence de l'échantillon. Pour les sources de lumière EUV à basse fréquence de répétition, chaque impulsion contenant un grand nombre de photons, un grand nombre de photoélectrons sont excités à la surface de l'échantillon en un temps très court. L'interaction coulombienne induit alors un élargissement significatif de la distribution de l'énergie cinétique des photoélectrons, phénomène appelé effet de charge d'espace. Afin de réduire l'influence de cet effet, il est nécessaire de diminuer le nombre de photoélectrons contenus dans chaque impulsion tout en maintenant un flux de photons constant. Il est donc nécessaire de piloter…laseravec une fréquence de répétition élevée pour produire la source de lumière ultraviolette extrême à haute fréquence de répétition.
La technologie de cavité à résonance améliorée permet la génération d'harmoniques d'ordre élevé à une fréquence de répétition de l'ordre du MHz.
Afin d'obtenir une source de lumière ultraviolette extrême (EUV) avec une fréquence de répétition allant jusqu'à 60 MHz, l'équipe de Jones, à l'Université de Colombie-Britannique (Royaume-Uni), a réalisé une génération d'harmoniques d'ordre élevé dans une cavité à résonance femtoseconde (fsEC) pour concevoir une source EUV opérationnelle. Cette source a ensuite été appliquée à des expériences de spectroscopie électronique à résolution angulaire temporelle (Tr-ARPES). Elle est capable de fournir un flux de photons supérieur à 10¹¹ photons par seconde avec une seule harmonique, à une fréquence de répétition de 60 MHz, dans la gamme d'énergie de 8 à 40 eV. Les chercheurs ont utilisé un laser à fibre dopée à l'ytterbium comme source d'amorçage pour la fsEC et ont contrôlé les caractéristiques des impulsions grâce à une conception laser personnalisée afin de minimiser le bruit de décalage de fréquence de l'enveloppe porteuse (fCEO) et de maintenir une bonne compression des impulsions en sortie de la chaîne d'amplification. Pour obtenir une amélioration stable de la résonance au sein du fsEC, ils utilisent trois boucles de contrôle servo pour le contrôle par rétroaction, ce qui entraîne une stabilisation active à deux degrés de liberté : le temps d'aller-retour du cycle d'impulsion au sein du fsEC correspond à la période d'impulsion laser, et le déphasage du porteur de champ électrique par rapport à l'enveloppe d'impulsion (c'est-à-dire la phase de l'enveloppe porteuse, ϕCEO).
En utilisant du krypton comme gaz vecteur, l'équipe de recherche a réussi à générer des harmoniques d'ordre supérieur dans un laser femtoseconde à cavité résonante (fsEC). Ils ont effectué des mesures Tr-ARPES sur du graphite et observé une thermitation rapide suivie d'une recombinaison lente des populations d'électrons non thermiquement excités, ainsi que la dynamique des états directement excités non thermiquement au voisinage du niveau de Fermi, au-dessus de 0,6 eV. Cette source lumineuse constitue un outil important pour l'étude de la structure électronique des matériaux complexes. Cependant, la génération d'harmoniques d'ordre supérieur dans un fsEC impose des exigences très élevées en matière de réflectivité, de compensation de la dispersion, d'ajustement précis de la longueur de la cavité et de synchronisation, ce qui affecte considérablement le facteur d'amplification de la cavité résonante. Par ailleurs, la réponse de phase non linéaire du plasma au point focal de la cavité représente également un défi. C'est pourquoi, à l'heure actuelle, ce type de source lumineuse n'est pas encore devenu la source dominante dans l'ultraviolet extrême.source de lumière à harmoniques élevées.
Date de publication : 29 avril 2024