材料表征的“利刃”：亚微米空间分辨率的真空紫外激光系统

来源：两江科技评论

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01导读

真空紫外（Vacuum UltraViolet, VUV）激光通常是指波长介于10 nm~200 nm的激光。相比于更大波长的激光，其单光子能量较高，更容易破坏原子键或激发出光电子，因此真空紫外激光光源在微观成像、光电子谱学研究、工业加工等领域均有广泛应用。

然而，由于高能量的光子会被空气中的氧气及水蒸气分子强烈吸收，因此真空紫外激光面临着空间传输、波前整形等方面的难题。尤其在角分辨光电子能谱等离轴的谱表征系统中，利用真空紫外激光实现长焦距、高空间分辨能力等功能是极具挑战性的课题。另一方面，双层转角石墨烯、高温铜基超导薄膜等新材料体系促进许多新物理、新现象的发现，而这些材料的尺寸均在微纳尺度，其表征过程需要较高的空间分辨率。因此，若实现对真空紫外激光的空间整形和聚焦，将极大地拓展其在新型量子材料中的研究。

近日，针对该问题，由国防科技大学、中国科学技术大学、清华大学和牛津大学组成的国际研究团队提出一种利用平板衍射透镜聚焦真空紫外激光（177nm波长）的新途径，在长焦距的条件下（~45 mm），实现了亚微米级（<1 µm）的焦斑尺寸，首次将基于真空紫外激光光源的光电子能谱仪的空间分辨能力提高至微米量级。

02研究背景

如今，拓扑超导、反常量子霍尔效应等许多量子现象为未来产业革命带来了新机遇，人们为更好地理解它们的物理本质，需利用能带结构来研究其电子运动特征。角分辨光电子能谱（ARPES）技术则是表征这些新奇量子体系能带结构的一件“利器”，然而传统的ARPES系统逐渐难以满足这些复杂量子体系的深入研究——因为它们大多缺乏一把“利刃”：对于常规ARPES系统来说，最大的限制因素是其光源不具备优良的实空间分辨能力。而目前许多新兴量子材料的空间尺寸约为1–10 µm，小于典型ARPES系统的光斑尺寸（3–100 µm），这导致现有激光ARPES系统无法高精度地表征这些量子材料。

同步辐射光源与激光光源应用现状

目前具有亚微米空间分辨能力的ARPES设备大多基于同步辐射光，其光子能量高，波长极短，较易于实现亚微米级聚焦，但其能量分辨率差，不利于表征材料的精细能带结构。世界上较有名的同步辐射型亚微米空间分辨ARPES设备包括：法国SOLEIL光源ANTARES线站、美国先进光源MAESTRO线站、英国钻石光源Beamline I05、意大利同步辐射光源SPECTROMICROSCOPY-3.2L线站。

而目前的深紫外激光型ARPES系统通常采用波长200 nm以上的光源，最好的空间分辨能力来自瑞士日内瓦大学Felix Baumberger课题组（光子能量6.0 eV，可实现最高3 µm空间分辨能力）。该课题组采用了LEOS公司生产的连续波激光源，该连续波激光源线宽约µeV，波长为206 nm。激光首先经过扩束后，再使用安装在电动三轴平移台上的65 mm焦距的像差校正透镜聚焦。该系统能量分辨率约为2 meV。

得益于中科院理化所研制的KBBF晶体，我国率先开展了波长小于200nm的全固态真空紫外激光光源的应用研究。2007 年，财政部设立“深紫外固态激光源前沿装备研制”国家重大科研装备研制项目，研发具有自主知识产权的新型深紫外固态激光源，引领深紫外波段前沿重大科研装备的突破。于2012年前后，由中科院理化所牵头，我国顺利研制出深紫外激光拉曼光谱仪、深紫外激光光化学反应仪与在线检测系统、深紫外激光光发射电子显微镜、基于深紫外激光的同时具有自旋分辨和角分辨功能的高分辨光电子能谱仪等一系列重大科研仪器。然而，鉴于真空紫外激光波长的特殊性，其光束整形过程完全需要在密闭的腔体内完成，光束的调整和追踪就变得十分困难，因此，实现亚微米级聚焦是一个极具挑战性的课题。

03创新研究

本文利用KBBF晶体对波长355nm准连续激光进行倍频，并对倍频后的177nm激光进行空间整形。得益于团队成员在光的纳米聚焦领域有十多年的科研积累和应用实践，经过详细周密的理论分析和高精度的数值仿真，最终采取平面透射式、无球差型的菲涅尔波带片来聚焦激光，实现了在45mm焦距位置上的亚微米级聚焦光斑。其整体光路如图1所示：

图1 177nm激光的产生及光束整形与聚焦

本光学系统主要包含五个模块：1、基频光调整模块。主要用于实现355 nm激光的功率及偏振方向调整，使之满足KBBF晶体的相位匹配条件；2、激光倍频模块。从此模块开始，所有光学元件都将置入充满高纯氮气的密闭腔体内；3、光束整形模块。从KBBF倍频产生的177 nm激光在两个正交方向上存在不同的发散角，因此须对光束进行校正和准直；4、偏振调节模块。在最终聚焦前采用半波片（或四分之一波片）对177 nm激光的偏振态进行调整，以满足不同的表征需要；5、菲涅尔波带片聚焦。菲涅尔波带片是一种典型的平面衍射光学元件，它基于对光波前的切割和衍射实现在特定位置的光束聚焦，相比于传统透镜，它可以有效的避免球差影响。

聚焦前177 nm激光光束的发散角非常小，是准直状态，在应用时只需调整最后一片菲涅尔波带片的位置即可，因此该光学系统可以非常方便地与其他表征系统对接。

图2 光栅条纹及多层石墨烯扫描透射成像结果

为检验本光学系统的空间分辨能力，本文分别对宽度1µm、周期2µm的标准条纹以及利用机械剥离法得到的多层石墨烯样品进行了扫描透射成像。如图2所示，在菲涅尔波带片的焦平面上，通过样品的空间扫描，在透射图像中，可清晰分辨出条纹的周期性特征；在对尺寸约为10µm的多层石墨烯样品扫描成像过程中，不仅充分还原出其轮廓特征，还可利用透过光强的变化来表征材料的层数。这些成像结果充分展现了该真空紫外光学系统优异的空间分辨能力，为下一步在角分辨光电子能谱等实验系统中的应用奠定了基础。

图3 基于177nm激光的离轴荧光光谱表征测试

本光学系统除了具备优良的空间分辨能力，另一大特点是其具有较长的工作距离（焦距）。这一特点非常有利于反射式离轴表征系统，如图3(a)所示，此类系统具有较强的表面敏感性，不易受到基底信号的干扰，更重要的是离轴探测为人们提供了一个新的角度（动量）分辨自由度，这非常适用于具有各向异性的晶体的谱学表征。本文采用此套光学系统对NaYF4骨架掺杂稀土元素的微晶颗粒荧光发光过程开展了一些探索性研究。图3(b)~(d)展示了利用177nm和980nm激光激发NaYF4 和 NaYF4: Tm (2 mol%)两种微晶颗粒产生的荧光光谱。值得注意的是，在177nm激光的激发下，NaYF4材料产生一个非常宽的发光谱，同时还伴随着一些特征峰。由于NaYF4晶体在可见光和中红外波段是透明的，因此人们从未观察过这些谱线；当向NaYF4骨架中掺杂2%的Tm元素时，177nm激光可激发出Tm3+的典型特征峰277nm(3P1→3H6),450nm(1D2→3F4),475nm(1G4→3H6)以及800nm(3H4→3H6)。但对于980nm激光，还需掺杂敏化离子（20% Yb）才能使Tm3+的特征峰得以显现。尽管上述发光现象的产生机制还需进一步细致研究，但显而易见的是177nm真空紫外激光在更广泛的物质荧光表征领域具有重要的应用价值。

04应用与展望

本光学系统具备超长焦距（~45 mm）、亚微米级空间分辨能力（~1 µm）以及超高亮度（~355 MWm-2）的优势，未来可直接应用于光发射电子显微镜、角分辨光电子能谱仪、深紫外激光拉曼光谱仪、角分辨光谱仪等仪器。目前该光学系统已初步对接位于上海科技大学的ARPES设备，并已在准一维拓扑超导体TaSe3，磁性拓扑绝缘体(MnBi2Te4)(Bi2Te3)m家族等多种新型量子材料表征中崭露头角。