Om vakuum ultravioletta lasrar kan fokuseras till en liten strålfläck, det kommer att möjliggöra undersökning av mesoskopiska material och strukturer och möjliggöra tillverkning av nanoobjekt med utmärkt precision. Mot detta mål, Forskare i Kina uppfann ett 177 nm VUV-lasersystem som kan uppnå en submikron brännpunkt vid en lång brännvidd. Detta system kan utrustas om för användning i lågkostnadsvinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi (ARPES) och kan gynna den kondenserade materiens fysik.

Den snabba utvecklingen av tvådimensionella kvantmaterial, som tvinnat tvåskiktsgrafen, enskiktiga kopparsupraledare, och quantum spin Hall material, har visat både viktiga vetenskapliga implikationer och lovande tillämpningspotential. För att karakterisera den elektroniska strukturen hos dessa material/enheter, ARPES används vanligtvis för att mäta energin och rörelsemängden hos elektroner som fotoemitteras från prover som är upplysta av röntgen- eller vakuum ultravioletta (VUV) ljuskällor. Även om den röntgenbaserade rumsligt upplösta ARPES har den högsta rumsliga upplösningen (~100 nm) och drar nytta av den relativt korta våglängden, dess energiupplösning är vanligtvis medelmåttig (> 10 meV), vilket gör det svårt att visualisera de fina detaljerna i den elektroniska strukturen i många nya kvantmaterial. Komplement till röntgenljuskällor, VUV-laserbaserade ljuskällor kan erbjuda mycket bättre energiupplösning (~0,2 meV), djupare detekteringsdjup och lägre kostnad (jämfört med synkrotronljuskällor). Dock, den längre våglängden på VUV-ljuskällan försämrar också dess rumsliga upplösning (typiskt flera mikrometer hittills), vilket gör den otillräcklig för att karakterisera små flingprover eller rumsligt inhomogen (t.ex. magnetisk, elektroniska eller sammansatta domäner) material.

I en ny tidning publicerad i Ljusvetenskap och tillämpningar , Mao och hans medarbetare har utvecklat ett 177 nm VUV-lasersystem för skanning av fotoemissionsmikroskopi med en brännpunkt av <1 μm vid en lång brännvidd (~45 mm) genom att använda en sfärisk-aberrationsfri zonplatta. Baserat på denna mikroskopi, de byggde också en off-axis fluorescensdetektionsplattform som uppvisar överlägsen förmåga jämfört med konventionella lasersystem när det gäller att avslöja subtila egenskaper hos material.

Jämfört med den nuvarande DUV-laserkällan med rumslig upplösning som används för ARPES, 177 nm VUV-laserkällan kan hjälpa ARPES-mätningen att täcka ett större momentumutrymme och har bättre energiupplösning, men det finns fortfarande många utmaningar och svårigheter för att få den att ha utmärkt rumslig upplösning:

"Först, allvarlig sfärisk aberration finns i en lins med hög NA-refraktion. Andra, endast mycket begränsade material kan användas i optik för att korrigera den sfäriska aberrationen på grund av den starka absorptionen vid VUV-frekvenser. Tredje, det är praktiskt taget svårt att kontrollera kvaliteten (kollimation, enhetlighet och effektiv diameter) för den infallande strålen och inriktningen mellan optiska element, eftersom VUV-strålen är osynlig och all optik måste placeras i vakuum eller en förseglad kammare fylld med inert gas."

Detta VUV-laserfokuseringssystem innehåller fem funktionella delar:en 355 nm laser, en andra-harmonisk generation, ett stråleformningssteg, en polarisationsjusteringsdel och ett fokuseringselement hos den platta linsen.

"För att undvika den sfäriska aberrationen, vi introducerar plana diffraktiva linser som kan realisera snäv fokusering av ljus genom att finjustera interferensen från flera strålar", tillade de.

"Detta VUV-lasersystem har ultralång brännvidd (~45 mm), submikron rumslig upplösning (~760 nm), ultrahög energiupplösning (~0,3 meV) och ultrahög ljusstyrka (~355 MWm-2). Det kan appliceras direkt på vetenskapliga forskningsinstrument som fotoemissionselektronmikroskopi (PEEM), vinkelupplöst fotoelektronspektrometer (ARPES) och Raman-spektrometer med djup ultraviolett laser. För närvarande, detta system har kopplats samman med ARPES vid ShanghaiTech University och avslöjar de fina energibandsegenskaperna hos olika nya kvantmaterial såsom kvasi-endimensionella topologiska supraledare TaSe ₃ , magnetiska topologiska isolatorer (MnBi ₂ Te ₄ )(Bi ₂ Te ₃ )m familj, etc, ", avslutade forskarna.