阿秒超快實(shí)驗(yàn)站是利用極紫外(XUV)波段的阿秒激光和高次諧波光源,結(jié)合光電子能譜儀如角分辨光電子能譜儀(ARPES)、冷靶反沖離子動(dòng)量譜儀(COLTRIMS)、光電子顯微鏡(PEEM)、電子時(shí)間飛行譜儀(TOF)等終端設(shè)備,并配合極低溫極端條件,實(shí)現(xiàn)即有阿秒時(shí)間分辨,又有動(dòng)量分辨、能量分辨、和空間分辨的測(cè)量技術(shù),對(duì)原子、分子、表面以及固體材料中電子超快動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行探索,實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)的宏觀(guān)現(xiàn)象的理解和應(yīng)用,其研究領(lǐng)域包括物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等多個(gè)學(xué)科。該實(shí)驗(yàn)站包括阿秒激光裝置、時(shí)間分辨ARPES裝置、時(shí)間分辨PEEM裝置、時(shí)間分辨COLTRIMS裝置、以及4臺(tái)不同參數(shù)的飛秒激光器。
阿秒激光裝置將提供阿秒激光產(chǎn)生、測(cè)量、及其應(yīng)用的研究。阿秒激光裝置包括驅(qū)動(dòng)激光、高次諧波產(chǎn)生腔體、阿秒條紋相機(jī)腔體,阿秒激光應(yīng)用腔體以及XUV光譜儀等。采用一臺(tái)重復(fù)頻率為10 kHz,脈沖寬度為23 fs,平均功率大于10 W的飛秒激光作為驅(qū)動(dòng)光源,通過(guò)空芯光纖光譜展寬與壓縮系統(tǒng),將脈沖寬度壓縮到小于6 fs,CEP鎖定精度小于400 mrad。該裝置上可實(shí)現(xiàn)86 as激光脈沖,并可利用阿秒條紋相機(jī)開(kāi)展XUV阿秒和紅外(IR)飛秒泵浦探測(cè)的阿秒時(shí)間分辨測(cè)量研究。
該光源可以切換到COLTRIMS開(kāi)展時(shí)間分辨COLTRIMS研究,將用于時(shí)間分辨的原子、分子電離/解離的超快動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)。超音速冷靶技術(shù)不僅可以提供局域密度高、單色性好、動(dòng)量分散小的氣體靶,還能極大低提高反沖離子的動(dòng)量分辨。完成超音速氣體冷靶的制備之后,強(qiáng)IR激光或XUV激光通過(guò)束線(xiàn)系統(tǒng)進(jìn)入反應(yīng)腔室與超音速冷靶區(qū)的原子/分子作用,并將原子/分子電離。電離產(chǎn)生的電子與離子由COLTRIMS進(jìn)行測(cè)量。裝置可實(shí)現(xiàn)電子動(dòng)量分辨率為0.03原子單位,離子動(dòng)量分辨率為0.04原子單位。
時(shí)間分辨ARPES裝置利用高重頻高次諧波XUV光源作為探測(cè)光,IR飛秒激光作為泵浦光,并結(jié)合ARPES裝置實(shí)現(xiàn)時(shí)間分辨和角分辨光電子能譜測(cè)量功能。高重頻高次諧波XUV光源是采用平均功率為280 W,脈沖寬度小于70 fs,重復(fù)頻率為500 kHz到1 MHz的飛秒激光驅(qū)動(dòng)惰性氣體靶產(chǎn)生光子能量為16~30 eV的高次諧波。通過(guò)一個(gè)單色儀選取窄帶高次諧波光源,并與飛秒激光組合成泵浦探測(cè)系統(tǒng),共同聚焦到ARPES樣品上,產(chǎn)生的光電子由能量分析器進(jìn)行探測(cè),通過(guò)掃描泵浦光與探測(cè)光之間的精確延時(shí),獲得時(shí)間分辨小于150 fs,能量分辨小于50 meV的ARPES測(cè)量功能。樣品的最低溫度在3.8 K。在該裝置上,可以開(kāi)展高溫超導(dǎo)、重費(fèi)米子、激子絕緣體相變、電荷密度波相變等新型量子材料布里淵區(qū)邊界電子結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)行為的研究。
時(shí)間分辨PEEM裝置利用100 kHz、平均功率10 W、CEP穩(wěn)定性300 mrad、脈沖寬度10 fs的飛秒激光作為驅(qū)動(dòng)激光產(chǎn)生高次諧波,采用基于TOF型的光電子能譜儀(TOF-PEEM)作為終端,實(shí)現(xiàn)20 nm的空間分辨率。利用極紫外阿秒脈沖和紅外飛秒脈沖的雙光子吸收實(shí)現(xiàn)光電子的電離,結(jié)合泵浦探測(cè)技術(shù)可以為PEEM提供前所未有的時(shí)間分辨率,成為研究表面物理超快過(guò)程的利器。
由于飛秒激光光源具備載波包絡(luò)(CEP)鎖定和少周期(few-cycle)的優(yōu)勢(shì),可以通過(guò)調(diào)諧CEP實(shí)現(xiàn)近紅外和中紅外波段的阿秒時(shí)間分辨測(cè)量的功能,可為原子分子、二維半導(dǎo)體材料電子結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)行為等研究提供強(qiáng)大工具。
鐘老師,郵箱:zhongshiyang@iphy.ac.cn