來自國防科技大學的研究人員及其合作者構建了一個177nm 的VUV（真空紫外）激光，可以實現破紀錄的在長焦距 (~45mm)條件下的實現小聚焦光斑(~0.76μm)，并且展示了該設備應用在熒光光譜學的應用潛力，這一激光系統將會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的光源顯示出巨大的潛力，如果該光源可以聚焦成一個非常小的光斑的話，將不僅僅可以允許進行介觀材料和結構的研究，同時還可以實現在納米材料制造上的優異精度的制備。來自國防科技大學的學者及其合作者為大家報道了構建的一個177nm 的VUV（真空紫外）激光，可以實現破紀錄的在長焦距 (~45mm)條件下的聚焦小光斑(~0.76μm)，這一目標是通過使用一個平面的無球面像差的透鏡來實現的。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行了測試，并且展示了該設備應用在熒光光譜學的研究，并對純的和Tm3+-摻雜的 NaYF4進行了研究，揭示了一個新的能帶發射，這一新的能帶是在傳統分辨率的設備中所不能觀察到的。此外，這一激光系統將會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，插入的圖片是光學裝置的圖片; (c) 焦點的測量。焦點在近焦平面的實驗剖面圖通過刀口掃描（knife-edge scanning）技術進行測量。基于這一剖面圖在不同的Z-切口平面，其真實點的橫向強度（X-和Y-方向的分布）分布通過我們自制的算法進行找回，然后提供光斑尺寸(FWHM) 通過紅色（X-方向）和綠色（Y-方向）的圓圈來進行標記。；(d) 顯微照片和 (e) 石墨烯樣品在CaF2基材上時的掃描透鏡照片。

如果一個真空紫外激光可以聚焦成一個比較小的光斑，它就可以允許對介觀材料和結構進行研究和促進制造出具有優異精度的納米器件。為了實現這一目標，來自中國國防科技大學的科學家發明了一個177nm波長的VUV激光系統，可以實現亞微米的聚焦光斑且同時具有長的焦距。這一系統可以用來裝備低成本角分辨率的光電子能譜（angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) ）設備和有可能對固態物質的物理學研究起到促進作用。

隨著兩維量子材料的快速發展，諸如扭曲雙層石墨烯，單層銅超導體和量子自旋霍爾材料在重要的科學含義和潛在的且顯著的應用方面非常有潛力。為了表征這些材料/器件的電子結構，ARPES是一個常用的用來測量光電子發射自樣品被X射線或真空紫外光照射時所產生的能量和動量的儀器。盡管X射線為基礎的空間分辨率的APRES得益于其相對來說較短的波長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構的詳細信息進行詳細的細節上的視覺觀察。

基于對X射線光源的補充，真空紫外（VUV）激光為基礎的光源可以提供非常高的能量分辨率 (~0.2 meV), 深的探測深度和比較低的成本（同同步輻射光源相比較）。然而，VUV比較長的波長也同時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，電子材料或者復合材料為主題的）的材料時變得比較困難。

在近期出版的期刊《 Light Science & Applications》上，來自國防科技大學的Yuanhao Mao及其合作者發展了一個波長為177nm的真空超紫外（VUV）激光系統用于掃描光電子能譜微觀分析，在使用無球差波帶片的時候，在焦距為~45 mm的時候具有的焦點<1 μm。基于這一微觀微觀分析，他們同時還構建了一個離軸熒光探測平臺，在揭示材料的微妙特征方面，同傳統的激光器相比，呈現出超級的能力。

同當前的DUV激光光源用于ARPES時具有的空間分辨率相比較，177nm的VUV激光光源可以幫助ARPES測量覆蓋巨大的動量空間和具有較好的能量分辨率，但在獲得優異的空間分辨率這塊仍然存在許多挑戰和困難。

圖2 本研究成果的離軸光譜學

首先，嚴重的球面像差會在高NA折射透鏡中存在。其次，由于在VUV頻率波段的強烈吸收，只有非常有限的材料可以用來作為光學鏡片來校準球面像差。第三，在實踐操作中來檢查入射光的質量（準直、均勻和有效直徑）和在光學元件中的排列是非常困難的，這是會因為 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充滿惰性氣體的腔體中。

這一VUV激光聚焦系統包含５個功能部件，一個355 nm的激光器，一個二次諧波產生平臺，一個光束整形平臺，一個極化調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現緊湊的聚焦光，通過精細的調整多束光的干涉來實現。

這一ＶUV激光系統具有超長的焦距聚焦長度 (~45 mm)和小的焦點光斑(~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)，它可以直接應用到科學儀器中，諸如光發射電子顯微鏡（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，這一系統已經同位于上海技術大學的ARPES連接在一起來揭示不同的新的量子材料，諸如準一維拓撲超導體TaSe3，磁性拓撲絕緣材料 (MnBi2Te4)(Bi2Te3)家族材料等的精細的能帶特性。該成果的科學家提到。

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).