CN110492347A - 一种具有空间分辨能力的深紫外角分辨光电子能谱光源 - Google Patents

一种具有空间分辨能力的深紫外角分辨光电子能谱光源 Download PDF

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Abstract

提供了一种具有空间分辨能力的深紫外角分辨光电子能谱光源，包括依次连接的连续激光器(1)、基频光调节模块、深紫外激光产生模块、深紫外激光整形与准直模块、深紫外激光功能实现模块，其中后三个模块设置于真空腔内。基频光调节模块主要用于调节由连续激光器(1)输出的基频光功率与偏振方向；深紫外激光产生模块用于构建基频光与KBBF晶体相互作用产生倍频激光所需的必要环境；深紫外激光整形与准直模块用于对倍频激光进行光束整形和扩束准直；深紫外激光功能实现模块用于对深紫外激光的偏振特性调整，然后对深紫外激光的亚微米级聚焦。本发明构建出的光源同时具备高能量分辨能力和高空间分辨能力。

Description

一种具有空间分辨能力的深紫外角分辨光电子能谱光源
技术领域
本发明总体地属于高超真空凝聚态物理表征技术领域，具体涉及一种具有空间分辨能力的深紫外角分辨光电子能谱光源。
背景技术
ARPES(Angle-resolved photoemission spectroscopy，角分辨光电子能谱技术)是一种通常以同步辐射或激光作为探针光源，利用光电效应原理，直接探测固体的空间电子能带结构(电子数密度分布)的实验方法。它可以给出被研究样品(通常是单晶材料)中价电子的方向、速度和散射过程的信息，即获得关于电子能量和动量的信息，从而得到关于能带色散和费米表面的详细特征。
同步辐射光源是指产生同步辐射的物理装置，它是一种的高性能新型强光源。激光是原子受激辐射产生的光，被激发出来的光子束，光学特性高度一致。相比利用相对论性电子(或正电子)在磁场中偏转时产生的同步辐射光源，激光的单色性好，亮度高，方向性好。同时，以激光作为ARPES光源具有高能量分辨率，偏振可调，低成本等特点。特别的，对于激光光学系统，可以通过一系列的透镜组合，将激光聚焦到1um以下，从而在微纳尺度上实现对样品的表征。然而，受金属材料的功函数限制，只有位于深紫外波段的激光光源具备激发出物质材料中光电子的能力，但该波段下激光传输受水汽吸收衰减影响极大，因此，设计一套在真空条件下，针对深紫外激光的光路系统，对实现同时具备高能量分辨能力和高空间分辨能力的ARPES光源具有极大的应用价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有空间分辨能力的深紫外角分辨光电子能谱光源，该光源作为在真空条件下，针对深紫外激光的光路系统，同时具备高能量分辨能力和高空间分辨能力，用于样品不同纵深位置的全空间扫描。
本发明的技术方案是，一种具有空间分辨能力的深紫外角分辨光电子能谱光源，它包括依次连接的连续激光器、基频光调节模块、深紫外激光产生模块、深紫外激光整形与准直模块和深紫外激光功能实现模块；所述基频光调节模块用于对连续激光器产生激光的基频光功率与偏振方向进行调整；所述深紫外激光产生模块包括KBBF晶体，用于针对经所述基频光调节模块调整后的激光构建基频光与KBBF晶体相互作用产生倍频激光所需的包括满足激发功率阈值与相位匹配条件的必要环境，所述匹配条件是指光束偏振方向和入射角度与KBBF晶体的晶格匹配；所述深紫外激光整形与准直模块用于对倍频激光进行整形，并对整形后的光束进行扩束准直；所述深紫外激光功能实现模块用于对激光的偏振特性调整，同时对激光进行亚微米级聚焦；所述连续激光器的输出波长为355nm；所述深紫外激光产生模块、深紫外激光整形与准直模块和深紫外激光功能实现模块设置于真空腔内；经所述深紫外激光功能实现模块处理后输出的激光波长177nm，光子能量7eV，聚焦光斑具有1um空间分辨能力。
进一步的，上述基频光调节模块包括沿连续激光器发出激光传播的垂直方向依次设置的格兰泰勒棱镜和第一半波片；所述格兰泰勒棱镜可旋转角度，用于将连续激光器辐射出的偏振未知的连续激光转化成线偏振光输出，通过旋转格兰泰勒棱镜的设置角度以改变转化能量比例，从而实现对原出射激光的起偏和功率控制；第一半波片用于对已经被偏振的线偏光偏振方向进行调节，以满足深紫外激光产生模块中倍频晶体KBBF晶体中所需要的相位匹配条件。
更进一步的，上述格兰泰勒棱镜的角度为将基频光功率控制在1W左右以使该系统连续稳定运行。
还进一步的，上述深紫外激光产生模块还包括第一平凸透镜和三棱镜结构的晶体夹持器；所述第一平凸透镜沿激光传播的垂直方向设置，其凸面朝向激光入射的方向、平面朝向激光出射的方向；所述晶体夹持器用于加持KBBF晶体，设置在第一平凸透镜后的激光传播方向上，其设置的角度满足使基频光与及基频光在晶体夹持器加持的KBBF晶体中产生倍频光的相位匹配条件；经深紫外激光产生模块处理后，连续激光器产生的激光以177nm的倍频激光从KBBF晶体射出。
还进一步的，上述深紫外激光整形与准直模块包括沿激光传播方向依次设置的平凸柱透镜组和平凸透镜组；所述平凸柱透镜组包括第一平凸柱透镜和第二平凸柱透镜，第一平凸柱透镜和第二平凸柱透镜依次设置在从KBBF晶体射出激光的垂直方向，第一平凸柱透镜和第二平凸柱透镜的平面均朝向激光的入射方向，凸面朝向激光出射方向；第一平凸柱透镜和第二平凸柱透镜的曲面分别横向、纵向设置，以实现光束整形；所述平凸透镜组包括第二平凸透镜和第三平凸透镜，第二平凸透镜和第三平凸透镜沿激光传播的垂直方向依次设置，第二平凸透镜的凸面朝向激光入射方向，平面朝向激光出射方向；第三平凸透镜与第三平凸透镜之间的距离为第二平凸透镜和第三平凸透镜的焦距之和，第三平凸透镜的平面朝向激光入射方向，凸面朝向激光出射方向，第三平凸透镜的焦距大于第二平凸透镜的焦距，两者配合实现激光准直。
还进一步的，上述深紫外激光功能实现模块包括第二半波片、五轴调节架和光束聚焦级；所述第二半波片设置在经第二透镜出射激光的垂直方向上，用于对深紫外激光的偏振特性调整；所述光束聚焦级镜面设置在第二半波片后的激光传播的垂直方向，用于将准直光束聚焦成为亚微米量级光斑，所述光束聚焦级一级聚焦点的焦距4-5厘米，以实现具有空间分辨能力的ARPES探测能力；所述五轴调节架用于调节并固定光束聚焦级的位置，从而精确控制激光聚焦光斑焦点的空间位置，实现对样品不同纵深位置的全空间扫描。
所述五轴调节架为高精度五轴调节架，用于对聚焦光斑的精确控制。
还进一步的，上述真空腔上设置有光学玻璃视窗，用于使从第一半波片出射的激光进入真空腔内的平凸透镜上。
还进一步的，本发明的具有空间分辨能力的深紫外角分辨光电子能谱光源还包括多个平面反射镜，用于改变激光的传播方向，以利用部件之间的设置和节约空间。
还进一步的，上述第一平凸柱透镜、第二平凸柱透镜、第一平凸透镜、第二平凸透镜、第三平凸透镜、第二半波片、光束聚焦级、多个平面反射镜均由CaF2材料制成。
还进一步的，上述真空腔内为真空条件或充满惰性气体条件。
本发明所提及的真空是指为气压小于10torr的真空腔体或真空环境。
本发明相比于现有技术中的ARPES相比，其优势在于：
1)具有较高的能量分辨力，同时具有较好的空间分辨能力；
2)采用通用的光学器件制作，搭建成本低；
3)体积小，便于维护。
本发明运用KBBF非线性光学晶体，结合光束整形、准直、聚焦等元件构造出具有空间分辨能力的深紫外角分辨光电子能谱光源。整个光源系统主要分为四个部分，包括：基频光调节模块、深紫外激光产生模块、深紫外激光整形与准直模块、深紫外激光功能实现模块。其中涉及深紫外激光产生、整形、准直聚焦的后三个模块全部需要在真空腔体内搭建，当待测样品与光学器件可以分立在两块区域时，可以在此真空腔内充满高纯惰性气体，如氮气。
附图说明
从下面结合附图对本发明实施例的详细描述中，本发明的这些和/或其它方面和优点将变得更加清楚并更容易理解，其中：
图1为本发明实施例的具有空间分辨能力的深紫外角分辨光电子能谱光源的结构组成，其中：
1：连续激光器，4：格兰泰勒棱镜，5：第一半波片，7：光学玻璃视窗，8：真空腔，9：第一平凸透镜，10：三棱镜结构的晶体夹持器，11：KBBF倍频晶体，13：第一平凸柱透镜，14：第二平凸柱透镜，16：第二平凸透镜，17：第三平凸透镜，18：第二半波片，20：五轴调节架，21：光束聚焦级，22：激光探针，23：探测靶面，3、6、15、19：平面反射镜。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例1
一种具有空间分辨能力的深紫外角分辨光电子能谱光源，其结构如图1所示，它包括依次连接的连续激光器1、基频光调节模块、深紫外激光产生模块、深紫外激光整形与准直模块和深紫外激光功能实现模块；基频光调节模块用于对连续激光器1产生激光的基频光功率与偏振方向进行调整；深紫外激光产生模块包括KBBF晶体11，用于针对经基频光调节模块调整后的激光，构建基频光与KBBF晶体11相互作用产生倍频激光所需的包括满足激发功率阈值与相位匹配条件的必要环境，匹配条件是指光束偏振方向和入射角度与KBBF晶体11的晶格匹配；深紫外激光整形与准直模块用于对倍频激光进行整形，并对整形后的光束进行扩束准直；深紫外激光功能实现模块用于对激光的偏振特性调整，同时对激光进行亚微米级聚焦；深紫外激光产生模块、深紫外激光整形与准直模块和深紫外激光功能实现模设置于真空腔8内；经深紫外激光功能实现模块处理后输出的激光波长177nm，光子能量7eV，聚焦光斑具有1um空间分辨能力。各部分的具体结构和功用如下：
连续激光器1的输出波长为355nm；
基频光调节模块包括沿连续激光器1发出激光传播的垂直方向依次设置的格兰泰勒棱镜4和第一半波片5；格兰泰勒棱镜4可旋转角度，用于将连续激光器1辐射出的偏振未知的连续激光转化成线偏振光输出，通过旋转格兰泰勒棱镜4的设置角度以改变转化能量比例，从而实现对原出射激光的起偏和功率控制；第一半波片5用于对已经被偏振的线偏光偏振方向进行调节，以满足深紫外激光产生模块中倍频晶体KBBF晶体11中所需要的相位匹配条件；优选格兰泰勒棱镜1的角度为将基频光功率控制在1W左右以使该系统连续稳定运行。
深紫外激光产生模块还包括第一平凸透镜9和三棱镜结构的晶体夹持器10；第一平凸透镜9沿激光传播的垂直方向设置，其凸面朝向激光入射的方向、平面朝向激光出射的方向；晶体夹持器10用于加持KBBF晶体11，设置在第一平凸透镜9后的激光传播方向上，其设置的角度满足使基频光与及基频光在晶体夹持器10加持的KBBF晶体11中产生倍频光的相位匹配条件；经深紫外激光产生模块处理后，连续激光器1产生的激光以177nm的倍频激光从KBBF晶体11射出；
深紫外激光整形与准直模块包括沿激光传播方向依次设置的平凸柱透镜组和平凸透镜组；平凸柱透镜组包括第一平凸柱透镜13和第二平凸柱透镜14，第一平凸柱透镜13和第二平凸柱透镜14依次设置在从KBBF晶体11射出激光的垂直方向，第一平凸柱透镜13和第二平凸柱透镜14的平面均朝向激光的入射方向，凸面朝向激光出射方向；第一平凸柱透镜13和第二平凸柱透镜14的曲面分别横向、纵向设置，以实现光束整形；平凸透镜组包括第二平凸透镜16和第三平凸透镜17，第二平凸透镜16和第三平凸透镜17沿激光传播的垂直方向依次设置，第二平凸透镜16的凸面朝向激光入射方向，平面朝向激光出射方向；第三平凸透镜17与第二平凸透镜16之间的距离为第二平凸透镜16和第三平凸透镜17的焦距之和，第三平凸透镜17的平面朝向激光入射方向，凸面朝向激光出射方向，第三平凸透镜17的焦距明显大于第二平凸透镜16的焦距，，两者配合实现激光准直；
深紫外激光功能实现模块包括第二半波片18、五轴调节架20和光束聚焦级21；第二半波片18设置在经第二透镜17出射激光的垂直方向上，用于对深紫外激光的偏振特性调整；光束聚焦级21镜面设置在第二半波片18后的激光传播的垂直方向，用于将准直光束聚焦成为亚微米量级光斑，在探测靶面23上形成激光探针22，光束聚焦级21一级聚焦点的焦距4-5厘米，以实现具有空间分辨能力的ARPES探测能力；五轴调节架20用于调节并固定光束聚焦级21的位置，从而精确控制激光聚焦光斑焦点的空间位置，实现对样品不同纵深位置的全空间扫描。
另外，上述真空腔8上设置有光学玻璃视窗7，用于使从第一半波片5出射的激光进入真空腔8内的平凸透镜9上。
为了优化元器件之间的布置和节约空间，还通过多个平面反射镜3、6、15、19来改变激光的传播方向，以利用部件之间的设置和节约空间。本领域人员可知，附图1中所示的平面反射镜均可根据实际情况选取不同的光路构型，不局限于图1中的平面反射镜设置位置、角度及其改变的光路走向。
优选的，第一平凸柱透镜13、第二平凸柱透镜14、第一平凸透镜9、第二平凸透镜16、第三平凸透镜17、第二半波片18、光束聚焦级21、多个平面反射镜3、6、15、19均由CaF2材料制成。
进行样品测试时，真空腔8内为真空条件或充满惰性气体条件。
本实施例的具有空间分辨能力的深紫外角分辨光电子能谱光源包括一台辐射波长为355nm的连续激光光源1；由格兰泰勒棱镜4和第一半波片5共同组成的腔外偏振调节系统；由第一平凸透镜9、三棱镜结构的晶体夹持器10和KBBF倍频晶体组成的用于产生深紫外激光的非线性光学倍频系统；由第一平凸柱透镜13和第二平凸柱透镜14构成的光束准直部件以及由第二平凸透镜16和第三平凸透镜17组成的准直扩束系统，用于准直和扩束；由用于转换深紫外激光偏振方向的第二半波片18以及五轴调节架20和CaF2光束聚焦级21组成的精确聚焦系统，其中光束整形、准直、聚焦及偏振调节均在真空腔8内完成，腔外激光通过一扇光学视窗玻璃7耦合到真空腔8，由多个平面反射镜3、6、15、19进行光束转向，以构成结构紧凑、布局合理的整体光路调节系统。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种具有空间分辨能力的深紫外角分辨光电子能谱光源，其特征在于，它包括依次连接的连续激光器(1)、基频光调节模块、深紫外激光产生模块、深紫外激光整形与准直模块和深紫外激光功能实现模块；
所述基频光调节模块用于对连续激光器(1)产生激光的基频光功率与偏振方向进行调整；
所述深紫外激光产生模块包括KBBF晶体(11)，用于针对经所述基频光调节模块调整后的激光构建基频光与KBBF晶体(11)相互作用产生倍频激光所需的包括满足激发功率阈值与相位匹配条件的必要环境，所述匹配条件是指光束偏振方向和入射角度与KBBF晶体(11)的晶格匹配；
所述深紫外激光整形与准直模块用于对倍频激光进行整形，并对整形后的光束进行扩束准直；
所述深紫外激光功能实现模块用于对激光的偏振特性调整，同时对激光进行亚微米级聚焦；
所述连续激光器(1)的输出波长为355nm；
所述深紫外激光产生模块、深紫外激光整形与准直模块和深紫外激光功能实现模块设置于真空腔(8)内；
经所述深紫外激光功能实现模块处理后输出的激光波长177nm，光子能量7eV，聚焦光斑具有1um空间分辨能力。
2.如权利要求1所述的具有空间分辨能力的深紫外角分辨光电子能谱光源，其特征在于，所述基频光调节模块包括沿连续激光器(1)发出激光传播的垂直方向依次设置的格兰泰勒棱镜(4)和第一半波片(5)；
所述格兰泰勒棱镜(4)可旋转角度，用于将连续激光器(1)辐射出的偏振未知的连续激光转化成线偏振光输出，通过旋转格兰泰勒棱镜(4)的设置角度以改变转化能量比例，从而实现对原出射激光的起偏和功率控制；
第一半波片(5)用于对线偏光偏振方向进行调节，以满足深紫外激光产生模块中倍频晶体KBBF晶体(11)中所需要的相位匹配条件。
3.如权利要求2所述的具有空间分辨能力的深紫外角分辨光电子能谱光源，其特征在于，所述格兰泰勒棱镜(1)的角度为将基频光功率控制在1W以使该系统连续稳定运行。
4.如权利要求3所述的具有空间分辨能力的深紫外角分辨光电子能谱光源，其特征在于，所述深紫外激光产生模块还包括第一平凸透镜(9)和三棱镜结构的晶体夹持器(10)；
所述第一平凸透镜(9)沿激光传播的垂直方向设置，其凸面朝向激光入射的方向、平面朝向激光出射的方向；
所述晶体夹持器(10)用于加持KBBF晶体(11)，设置在第一平凸透镜(9)后的激光传播方向上，其设置的角度满足使基频光与及基频光在晶体夹持器(10)加持的KBBF晶体(11)中产生倍频光的相位匹配条件；
经深紫外激光产生模块处理后，连续激光器(1)产生的激光以177nm的倍频激光从KBBF晶体(11)射出。
5.如权利要求4所述的具有空间分辨能力的深紫外角分辨光电子能谱光源，其特征在于，
所述深紫外激光整形与准直模块包括沿激光传播方向依次设置的平凸柱透镜组和平凸透镜组；
所述平凸柱透镜组包括第一平凸柱透镜(13)和第二平凸柱透镜(14)，第一平凸柱透镜(13)和第二平凸柱透镜(14)依次设置在从KBBF晶体(11)射出激光的垂直方向，第一平凸柱透镜(13)和第二平凸柱透镜(14)的平面均朝向激光的入射方向，凸面朝向激光出射方向；第一平凸柱透镜(13)和第二平凸柱透镜(14)的曲面分别横向、纵向设置，以实现光束整形；
所述平凸透镜组包括第二平凸透镜(16)和第三平凸透镜(17)，第二平凸透镜(16)和第三平凸透镜(17)沿激光传播的垂直方向依次设置，第二平凸透镜(16)的凸面朝向激光入射方向，平面朝向激光出射方向；第三平凸透镜(17)与第二平凸透镜(16)之间的距离为第二平凸透镜(16)和第三平凸透镜(17)的焦距之和，第三平凸透镜(17)的平面朝向激光入射方向，凸面朝向激光出射方向；所述第三平凸透镜(17)的焦距大于第二平凸透镜(16)的焦距，两者配合实现激光准直。
6.如权利要求5所述的具有空间分辨能力的深紫外角分辨光电子能谱光源，其特征在于，
所述深紫外激光功能实现模块包括第二半波片(18)、五轴调节架(20)和光束聚焦级(21)；
所述第二半波片(18)设置在经第二透镜(17)出射激光的垂直方向上，用于对深紫外激光的偏振特性调整；
所述光束聚焦级(21)镜面设置在第二半波片(18)后的激光传播的垂直方向，用于将准直光束聚焦成为亚微米量级光斑，所述光束聚焦级(21)采用一级聚焦点的焦距4-5厘米的菲涅尔波带片；或采用焦距为3-4厘米的聚焦透镜，以实现具有空间分辨能力的ARPES探测能力；
所述五轴调节架(20)用于调节并固定光束聚焦级(21)的位置，从而精确控制激光聚焦光斑焦点的空间位置，实现对样品不同纵深位置的全空间扫描。
7.如权利要求6所述的具有空间分辨能力的深紫外角分辨光电子能谱光源，其特征在于，所述真空腔(8)上设置有光学玻璃视窗(7)，用于使从第一半波片(5)出射的激光进入真空腔(8)内的平凸透镜(9)上。
8.如权利要求7所述的具有空间分辨能力的深紫外角分辨光电子能谱光源，其特征在于，还包括多个平面反射镜(3、6、15、19)，用于改变激光的传播方向，以利用部件之间的设置节约空间。
9.如权利要求8所述的具有空间分辨能力的深紫外角分辨光电子能谱光源，其特征在于，所述第一平凸柱透镜(13)、第二平凸柱透镜(14)、第一平凸透镜(9)、第二平凸透镜(16)、第三平凸透镜(17)、第二半波片(18)、光束聚焦级(21)、多个平面反射镜(3、6、15、19)均由CaF2材料制成。
10.如权利要求9所述的具有空间分辨能力的深紫外角分辨光电子能谱光源，其特征在于，所述真空腔(8)内为真空条件或充满惰性气体条件。
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