HELIOS

Institutionen för fysik och astronomi driver en central anläggning avsedd att tillhandahålla femtosekunds optiska och vakuum ultravioletta pulser till Uppsala universitets grupper.

Beskrivning

HELIOS är en HHG-källa optimerad för mycket korta pulser (<40 fs) vid jämförbart höga fotonenergier på 60-80 eV. Att komma åt grunda kärnnivåer vid 60-80 eV är idealiskt lämpat för ultrasnabba elementspecifika studier inom magnetisering och kemisk dynamik genom tillgång till M absorptionskanter av 3d-övergångsmetaller och M/N-kanter av Se, Br, I. Pulslängder på <40 fs är väsentliga för toppmoderna kemiska och magnetiseringsdynamiska studier (se t.ex. tidsskalan för molekylärt exciterat tillståndsdynamik på 100 fs).

Framtida uppgraderingar

Vi strävar efter att utöka serien av kompletterande ultrasnabb röntgenanläggningar med nya möjligheter för tidsupplöst röntgenspektroskopi som kommer att möjliggöra ett brett spektrum av vetenskapliga tillämpningar vid institutionen. Vi planerar att utveckla och använda labbbaserad högharmonisk generering (HHG) för att producera övertonsövertoner för femtosekunds optiska lasrar över ett brett utökat ultraviolett (XUV) och mjukt röntgenspektralområde. Vi siktar på att realisera två anläggningar: En optimerad för ultrasnabb elementspecifik röntgenspektroskopi med korta pulser vid det befintliga HELIOS-laboratoriet och en optimerad för tids- och vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi med liten spektral bandbredd vid FREIA-laboratoriet. Detta kräver installation av två nya femtosekunds optiska lasersystem (lasersystem I och II) som vi ansöker om här och vi kommer att tillhandahålla matchande medel för att lägga till installationer för att realisera de beskrivna faciliteterna.

Spektral och tidsmässig upplösning såväl som pulsenergi och upprepningshastighet för en HHG röntgenkälla bestäms av egenskaperna hos det drivande femtosekunds optiska lasersystemet. Höga spektrala och tidsmässiga upplösningar kan inte kombineras i en källa på grund av de begränsningar som fastställs av Fouriertransformgränsen. Nuvarande laserteknik begränsar medeleffekten (pulsenergi gånger repetitionshastighet) för ultrasnabba lasrar till 10-100 W. Detta förhindrar att ha både hög toppeffekt (hög pulsenergi) och hög medeleffekt. De två tillämpningsområdena ultrasnabba elementspecifika studier och tidsupplöst ARPES kräver därför mycket olika drivande lasersystem. Elementspecifika studier kräver hög toppeffekt vid måttliga repetitionshastigheter och korta pulser (lasersystem I med pulsenergier på flera mJ och repetitionshastigheter på några kHz). ARPES kräver hög medeleffekt (låg toppeffekt) vid höga repetitionsfrekvenser med längre pulser (lasersystem II med flera 0,1 mJ pulser vid flera 100 kHz repetitionshastigheter).

På HELIOS kommer ett nytt lasersystem att användas för att generera XUV-fotonenergier över nuvarande 60 eV upp till 200-300 eV, som matchar kärnnivåenergierna för en rad element som är relevanta inom ultrasnabb kemi, fotokatalys och energiforskning. Detta kommer att möjliggöra nya tidsupplösta studier på kärnnivå av hittills otillgängliga materialklasser som perovskitsolceller eller organiska system i lösning. Ett andra lasersystem kommer att vara kärnan i en ny anläggning optimerad för tidsupplösta ARPES vid FREIA med en XUV-spektral bandbredd på <20 meV, som matchar excitationsenergierna för elementarpartiklar (laddningar, spinn, fononer och magnoner). Detta kommer att möjliggöra state-of-the-art ARPES med exceptionell spektral upplösning och femtosekunds tidsupplösning för ultrasnabb materialvetenskap.