Als vacuüm-ultraviolette lasers kunnen worden gefocusseerd in een kleine bundelvlek, het zal onderzoek van mesoscopische materialen en structuren mogelijk maken en de vervaardiging van nano-objecten met uitstekende precisie mogelijk maken. Op weg naar dit doel, Wetenschapper in China vond een 177 nm VUV-lasersysteem uit dat een submicron brandpunt kan bereiken bij een lange brandpuntsafstand. Dit systeem kan opnieuw worden uitgerust voor gebruik in goedkope hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie (ARPES) en kan de fysica van de gecondenseerde materie ten goede komen.

De snelle ontwikkeling van tweedimensionale kwantummaterialen, zoals gedraaid dubbellaags grafeen, monolayer kopersupergeleiders, en quantum spin Hall-materialen, heeft zowel belangrijke wetenschappelijke implicaties als veelbelovend toepassingspotentieel aangetoond. Om de elektronische structuur van deze materialen/apparaten te karakteriseren, ARPES wordt vaak gebruikt voor het meten van de energie en het momentum van elektronen die worden uitgezonden door monsters die worden verlicht door röntgen- of vacuüm-ultraviolette (VUV) lichtbronnen. Hoewel de op röntgenstraling gebaseerde ruimtelijk opgeloste ARPES de hoogste ruimtelijke resolutie heeft (~ 100 nm) die profiteert van de relatief korte golflengte, de energieresolutie is doorgaans middelmatig (> 10 meV), waardoor het moeilijk is om de fijne details van de elektronische structuur in veel nieuwe kwantummaterialen te visualiseren. Complementair aan röntgenlichtbronnen, Op VUV laser gebaseerde lichtbronnen kunnen een veel betere energieresolutie bieden (~0,2 meV), diepere detectiediepte en lagere kosten (vergeleken met synchrotron-lichtbronnen). Echter, de langere golflengte van de VUV-lichtbron verslechtert ook de ruimtelijke resolutie (meestal enkele micrometers tot nu toe), waardoor het onvoldoende is voor het karakteriseren van kleine vlokmonsters of ruimtelijk inhomogeen (bijv. magnetisch, elektronische of samengestelde domein) materialen.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Lichtwetenschap en toepassingen , Mao en zijn medewerkers hebben een 177 nm VUV-lasersysteem ontwikkeld voor scanning-foto-emissiemicroscopie met een brandpunt van <1 m bij een lange brandpuntsafstand (~ 45 mm) met behulp van een sferische aberratievrije zoneplaat. Op basis van deze microscopie ze bouwden ook een off-axis fluorescentiedetectieplatform dat superieur is aan conventionele lasersystemen bij het onthullen van subtiele kenmerken van materialen.

Vergeleken met de huidige DUV-laserbron met ruimtelijke resolutie die wordt gebruikt voor ARPES, de 177 nm VUV-laserbron kan de ARPES-meting helpen een grotere impulsruimte te bestrijken en heeft een betere energieresolutie, maar er zijn nog steeds veel uitdagingen en moeilijkheden om het een uitstekende ruimtelijke resolutie te geven:

"Eerst, ernstige sferische aberratie bestaat in een lens met een hoge NA-breking. Tweede, vanwege de sterke absorptie bij VUV-frequenties kunnen in de optica slechts zeer beperkte materialen worden gebruikt voor het corrigeren van de sferische aberratie. Derde, het is praktisch moeilijk om de kwaliteit te controleren (collimatie, uniformiteit en efficiënte diameter) van de invallende bundel en de uitlijning tussen optische elementen, omdat de VUV-straal onzichtbaar is en alle optica in vacuüm of een afgesloten kamer gevuld met inert gas moet worden geplaatst."

Dit VUV laserfocussysteem bevat vijf functionele onderdelen:een 355 nm laser, een fase van de tweede harmonische generatie, een bundelvormende fase, een polarisatie-insteldeel en een focusseerelement van de platte lens.

"Om de sferische aberratie te vermijden, we introduceren vlakke diffractieve lenzen die een strakke focus van licht kunnen realiseren door de interferentie van meerdere bundels fijn af te stemmen", voegde ze eraan toe.

"Dit VUV-lasersysteem heeft een ultralange brandpuntsafstand (~45 mm), submicron ruimtelijke resolutie (~ 760 nm), ultrahoge energieresolutie (~0,3 meV) en ultrahoge helderheid (~355 MWm-2). Het kan direct worden toegepast op wetenschappelijke onderzoeksinstrumenten zoals foto-emissie-elektronenmicroscopie (PEEM), hoek-opgeloste foto-elektronenspectrometer (ARPES) en diepe ultraviolette laser Raman-spectrometer. Momenteel, dit systeem is verbonden met de ARPES aan de ShanghaiTech University en onthult de fijne energiebandkenmerken van verschillende nieuwe kwantummaterialen zoals quasi-eendimensionale topologische supergeleiders TaSe ₃ , magnetische topologische isolatoren (MnBi ₂ Te ₄ )(Bi ₂ Te ₃ )m familie, enzovoort, ’ concludeerden de wetenschappers.