大氣雷射通信的光電探測器（用於空間分辨光電發射光譜的亞微米光斑真空紫外雷射器）

2023-05-28 11:51:54 2

(a)雷射束穿過KBBF晶體(頂部)和平面透鏡(中間)的示意圖;(b)在CaF2襯底上蝕刻的平面透鏡的顯微圖像(插入:光學設備的照片);(c)焦點的測量。採用刀口掃描法測量焦平面附近焦斑的實驗輪廓。基於不同的概要文件z-cut飛機,外側(x和y方向上)強度資料檢索的真正的現貨是由我們自製的算法,然後產生光斑大小(應用)的標籤,而紅色(x)和綠色(上)(d)顯微圖像和(e)掃描透射CaF2襯底上的石墨烯樣品的形象。來源:毛元浩、趙東、閆申、張宏嘉、李娟、韓凱、徐曉軍、郭川、楊樂賢、張超凡、黃昆、陳玉林

如果真空紫外雷射器能聚焦成一個小光斑，它將允許研究介觀材料和結構，並使納米物體的製造具有卓越的精度。為了實現這一目標，中國科學家發明了一種177納米VUV雷射系統，可以實現長焦距的亞微米焦斑。該系統可重新配置用於低成本的角度分辨光電發射光譜(ARPES)，並可能有利於凝聚態物理。

近年來，扭曲雙分子層石墨烯、單分子層銅超導體、量子自旋霍爾材料等二維量子材料的迅速發展顯示出重要的科學意義和廣闊的應用前景。為了表徵這些材料/器件的電子結構，ARPES通常被用來測量樣品在x射線或真空紫外(VUV)光源照射下光發射的電子的能量和動量。儘管基於x射線的空間分辨ARPES由于波長較短而具有最高的空間解析度(~100 nm)，但其能量解析度一般(>10 meV)，這使得許多新型量子材料的電子結構細節難以可視化。與x射線光源相比，VUV雷射光源具有更好的能量解析度(~0.2 meV)、更強的探測深度和更低的成本。然而，VUV光源的較長波長也降低了其空間解析度(到目前為止通常為幾微米)，使其不足以表徵小尺寸鱗片樣品或空間不均勻(如磁性、電子或複合疇)材料。

Mao和他的同事在《光科學與應用》雜誌上發表了一篇新的論文，他們利用無球像差的帶板開發了一種177 nm VUV雷射掃描光電發射顯微鏡系統，該系統在長焦距(~45 mm)下具有<1 μm的焦斑。基於這種顯微鏡，他們還建立了一個離軸螢光檢測平臺，在揭示材料的細微特徵方面表現出優於傳統雷射系統的能力。

與目前用於ARPES的具有空間解析度的DUV雷射源相比，177 nm VUV雷射源可以幫助ARPES測量覆蓋更大的動量空間，具有更好的能量解析度，但要使其具有良好的空間解析度還存在許多挑戰和困難:

「首先，高鈉折射透鏡存在嚴重的球差。其次，由於在VUV頻率上的強吸收，只有非常有限的材料可以用於光學校正球差。第三，實際上很難檢查入射光束的質量(準直、均勻性和有效直徑)以及光學元件之間的對準，因為VUV光束是不可見的，所有的光學器件都必須放置在真空或充滿惰性氣體的密封腔中。」

該VUV雷射聚焦系統包括五個功能部分:355 nm雷射器、二次諧波產生階段、光束整形階段、偏振調節部分和平面透鏡聚焦元件。

「為了避免球差，我們引入了平面衍射透鏡，它可以通過微調多束光束的幹涉來實現光的緊密聚焦」，他們補充說。

該VUV雷射系統具有超長焦距(~45 mm)、亞微米空間解析度(~760 nm)、超高能量解析度(~0.3 meV)和超高亮度(~355 MWm-2)。可直接應用於光電發射電子顯微鏡(PEEM)、角度分辨光電子能譜儀(ARPES)、深紫外雷射拉曼能譜儀等科研儀器。目前，該系統已與上海理工大學的ARPES連接，揭示了各種新型量子材料的精細能帶特徵，如準一維拓撲超導體TaSe3、磁性拓撲絕緣體(MnBi2Te4)(Bi2Te3)m族等。」