來(lái)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(xiàn)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(huà)，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(lái)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(guò)使用一個(gè)平面的無(wú)球面像差的透鏡來(lái)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(guò)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(guò)刀口掃描（knife-edge scanning）技術(shù)進(jìn)行測(cè)量。基于這一剖面圖在不同的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(guò)我們自制的算法進(jìn)行找回，然后提供光斑尺寸(FWHM) 通過(guò)紅色（X-方向）和綠色（Y-方向）的圓圈來(lái)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(lái)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(lái)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(lái)測(cè)量光電子發(fā)射自樣品被X射線(xiàn)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(xiàn)為基礎(chǔ)的空間分辨率的APRES得益于其相對(duì)來(lái)說(shuō)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(jué)觀察。

基于對(duì)X射線(xiàn)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(lái)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(wú)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(lái)作為光學(xué)鏡片來(lái)校準(zhǔn)球面像差。第三，在實(shí)踐操作中來(lái)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(jiàn)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(mǎn)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(lái)實(shí)現(xiàn)緊湊的聚焦光，通過(guò)精細(xì)的調(diào)整多束光的干涉來(lái)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(lái)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(lái)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).