來自國(guó)防科技大學(xué)的研究人員及其合作者構(gòu)建了一個(gè)177nm 的VUV（真空紫外）激光，可以實(shí)現(xiàn)破紀(jì)錄的在長(zhǎng)焦距 (~45mm)條件下的實(shí)現(xiàn)小聚焦光斑(~0.76μm)，并且展示了該設(shè)備應(yīng)用在熒光光譜學(xué)的應(yīng)用潛力，這一激光系統(tǒng)將會(huì)成為空間分辨率和角分辨光電子譜的理想的光源。

成果摘要：

真空紫外線激光作為不同光譜學(xué)的光源顯示出巨大的潛力，如果該光源可以聚焦成一個(gè)非常小的光斑的話，將不僅僅可以允許進(jìn)行介觀材料和結(jié)構(gòu)的研究，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)在納米材料制造上的優(yōu)異精度的制備。來自國(guó)防科技大學(xué)的學(xué)者及其合作者為大家報(bào)道了構(gòu)建的一個(gè)177nm 的VUV（真空紫外）激光，可以實(shí)現(xiàn)破紀(jì)錄的在長(zhǎng)焦距 (~45mm)條件下的聚焦小光斑(~0.76μm)，這一目標(biāo)是通過使用一個(gè)平面的無球面像差的透鏡來實(shí)現(xiàn)的。這一VUV激光的光斑尺寸采用金屬光柵和剝落石墨烯薄片進(jìn)行了測(cè)試，并且展示了該設(shè)備應(yīng)用在熒光光譜學(xué)的研究，并對(duì)純的和Tm3+-摻雜的 NaYF4進(jìn)行了研究，揭示了一個(gè)新的能帶發(fā)射，這一新的能帶是在傳統(tǒng)分辨率的設(shè)備中所不能觀察到的。此外，這一激光系統(tǒng)將會(huì)成為空間分辨率和角分辨光電子譜的理想的光源。

圖1

圖解：(a)激光束穿過KBBF 晶體（頂部）和平的棱鏡（中間）的示意圖 ); (b) 平的棱鏡在CaF2 基材上腐刻之后的顯微照片，插入的圖片是光學(xué)裝置的圖片; (c) 焦點(diǎn)的測(cè)量。焦點(diǎn)在近焦平面的實(shí)驗(yàn)剖面圖通過刀口掃描（knife-edge scanning）技術(shù)進(jìn)行測(cè)量?；谶@一剖面圖在不同的Z-切口平面，其真實(shí)點(diǎn)的橫向強(qiáng)度（X-和Y-方向的分布）分布通過我們自制的算法進(jìn)行找回，然后提供光斑尺寸(FWHM) 通過紅色（X-方向）和綠色（Y-方向）的圓圈來進(jìn)行標(biāo)記。；(d) 顯微照片和 (e) 石墨烯樣品在CaF2基材上時(shí)的掃描透鏡照片。

如果一個(gè)真空紫外激光可以聚焦成一個(gè)比較小的光斑，它就可以允許對(duì)介觀材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究和促進(jìn)制造出具有優(yōu)異精度的納米器件。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，來自中國(guó)國(guó)防科技大學(xué)的科學(xué)家發(fā)明了一個(gè)177nm波長(zhǎng)的VUV激光系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)亞微米的聚焦光斑且同時(shí)具有長(zhǎng)的焦距。這一系統(tǒng)可以用來裝備低成本角分辨率的光電子能譜（angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) ）設(shè)備和有可能對(duì)固態(tài)物質(zhì)的物理學(xué)研究起到促進(jìn)作用。

隨著兩維量子材料的快速發(fā)展，諸如扭曲雙層石墨烯，單層銅超導(dǎo)體和量子自旋霍爾材料在重要的科學(xué)含義和潛在的且顯著的應(yīng)用方面非常有潛力。為了表征這些材料/器件的電子結(jié)構(gòu)，ARPES是一個(gè)常用的用來測(cè)量光電子發(fā)射自樣品被X射線或真空紫外光照射時(shí)所產(chǎn)生的能量和動(dòng)量的儀器。盡管X射線為基礎(chǔ)的空間分辨率的APRES得益于其相對(duì)來說較短的波長(zhǎng)而具有最高的空間分辨率 (~100 nm)，它的能量分辨率比較典型的為非常普通 (>10 meV)，這就使得它非常難以在許多新穎的量子材料中的電子結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息進(jìn)行詳細(xì)的細(xì)節(jié)上的視覺觀察。

基于對(duì)X射線光源的補(bǔ)充，真空紫外（VUV）激光為基礎(chǔ)的光源可以提供非常高的能量分辨率 (~0.2 meV), 深的探測(cè)深度和比較低的成本（同同步輻射光源相比較）。然而，VUV比較長(zhǎng)的波長(zhǎng)也同時(shí)損傷了該光源的空間分辨率（直到今天，比較典型的是只有幾個(gè)微米），使得該光源在表征小尺寸的片狀樣品或空間不均（磁性材料，電子材料或者復(fù)合材料為主題的）的材料時(shí)變得比較困難。

在近期出版的期刊《 Light Science & Applications》上，來自國(guó)防科技大學(xué)的Yuanhao Mao及其合作者發(fā)展了一個(gè)波長(zhǎng)為177nm的真空超紫外（VUV）激光系統(tǒng)用于掃描光電子能譜微觀分析，在使用無球差波帶片的時(shí)候，在焦距為~45 mm的時(shí)候具有的焦點(diǎn)<1 μm?；谶@一微觀微觀分析，他們同時(shí)還構(gòu)建了一個(gè)離軸熒光探測(cè)平臺(tái)，在揭示材料的微妙特征方面，同傳統(tǒng)的激光器相比，呈現(xiàn)出超級(jí)的能力。

同當(dāng)前的DUV激光光源用于ARPES時(shí)具有的空間分辨率相比較，177nm的VUV激光光源可以幫助ARPES測(cè)量覆蓋巨大的動(dòng)量空間和具有較好的能量分辨率，但在獲得優(yōu)異的空間分辨率這塊仍然存在許多挑戰(zhàn)和困難。

圖2 本研究成果的離軸光譜學(xué)

首先，嚴(yán)重的球面像差會(huì)在高NA折射透鏡中存在。其次，由于在VUV頻率波段的強(qiáng)烈吸收，只有非常有限的材料可以用來作為光學(xué)鏡片來校準(zhǔn)球面像差。第三，在實(shí)踐操作中來檢查入射光的質(zhì)量（準(zhǔn)直、均勻和有效直徑）和在光學(xué)元件中的排列是非常困難的，這是會(huì)因?yàn)?VUV 光束是不可見的和幾乎所有的鏡片都必須放置在真空中或者封閉在一個(gè)充滿惰性氣體的腔體中。

這一VUV激光聚焦系統(tǒng)包含５個(gè)功能部件，一個(gè)355 nm的激光器，一個(gè)二次諧波產(chǎn)生平臺(tái)，一個(gè)光束整形平臺(tái)，一個(gè)極化調(diào)整部件和平面透鏡的聚焦部件。

為了避免球面像差，我們引入了平面衍射透鏡來實(shí)現(xiàn)緊湊的聚焦光，通過精細(xì)的調(diào)整多束光的干涉來實(shí)現(xiàn)。

這一ＶUV激光系統(tǒng)具有超長(zhǎng)的焦距聚焦長(zhǎng)度 (~45 mm)和小的焦點(diǎn)光斑(~0.76μm)，亞微米的空間分辨率(~760 nm)，超高的能量分辨率 (~0.3 meV) 和超高的亮度 (~355 MWm-2)，它可以直接應(yīng)用到科學(xué)儀器中，諸如光發(fā)射電子顯微鏡（photoemission electron microscopy (PEEM)），角分辨光電子能譜（angle-resolved photoelectron spectrometer (ARPES)）和深紫外激光拉曼光譜。在目前，這一系統(tǒng)已經(jīng)同位于上海技術(shù)大學(xué)的ARPES連接在一起來揭示不同的新的量子材料，諸如準(zhǔn)一維拓?fù)涑瑢?dǎo)體TaSe3，磁性拓?fù)浣^緣材料 (MnBi2Te4)(Bi2Te3)家族材料等的精細(xì)的能帶特性。該成果的科學(xué)家提到。

文章來源：Mao, Y., Zhao, D., Yan, S. et al. A vacuum ultraviolet laser with a submicrometer spot for spatially resolved photoemission spectroscopy. Light Sci Appl 10, 22 (2021).