来自国防科技大学的研究人员及其合作者构建了一个177nm 的VUV（真空紫外）激光，可以实现破纪录的在长焦距 (~45mm)条件下的实现小聚焦光斑(~0.76μm)，并且展示了该设备应用在荧光光谱学的应用潜力，这一激光系统将会成为空间分辨率和角分辨光电子谱的理想的光源。

成果摘要：

真空紫外线激光作为不同光谱学的光源显示出巨大的潜力，如果该光源可以聚焦成一个非常小的光斑的话，将不仅仅可以允许进行介观材料和结构的研究，同时还可以实现在纳米材料制造上的优异精度的制备。来自国防科技大学的学者及其合作者为大家报道了构建的一个177nm 的VUV（真空紫外）激光，可以实现破纪录的在长焦距 (~45mm)条件下的聚焦小光斑(~0.76μm)，这一目标是通过使用一个平面的无球面像差的透镜来实现的。这一VUV激光的光斑尺寸采用金属光栅和剥落石墨烯薄片进行了测试，并且展示了该设备应用在荧光光谱学的研究，并对纯的和Tm3+-掺杂的 NaYF4进行了研究，揭示了一个新的能带发射，这一新的能带是在传统分辨率的设备中所不能观察到的。此外，这一激光系统将会成为空间分辨率和角分辨光电子谱的理想的光源。

图1

图解：(a)激光束穿过KBBF 晶体（顶部）和平的棱镜（中间）的示意图 ); (b) 平的棱镜在CaF2 基材上腐刻之后的显微照片，插入的图片是光学装置的图片; (c) 焦点的测量。焦点在近焦平面的实验剖面图通过刀口扫描（knife-edge scanning）技术进行测量。基于这一剖面图在不同的Z-切口平面，其真实点的横向强度（X-和Y-方向的分布）分布通过我们自制的算法进行找回，然后提供光斑尺寸(FWHM) 通过红色（X-方向）和绿色（Y-方向）的圆圈来进行标记。；(d) 显微照片和 (e) 石墨烯样品在CaF2基材上时的扫描透镜照片。

如果一个真空紫外激光可以聚焦成一个比较小的光斑，它就可以允许对介观材料和结构进行研究和促进制造出具有优异精度的纳米器件。为了实现这一目标，来自中国国防科技大学的科学家发明了一个177nm波长的VUV激光系统，可以实现亚微米的聚焦光斑且同时具有长的焦距。这一系统可以用来装备低成本角分辨率的光电子能谱（angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) ）设备和有可能对固态物质的物理学研究起到促进作用。

随着两维量子材料的快速发展，诸如扭曲双层石墨烯，单层铜超导体和量子自旋霍尔材料在重要的科学含义和潜在的且显著的应用方面非常有潜力。为了表征这些材料/器件的电子结构，ARPES是一个常用的用来测量光电子发射自样品被X射线或真空紫外光照射时所产生的能量和动量的仪器。尽管X射线为基础的空间分辨率的APRES得益于其相对来说较短的波长而具有最高的空间分辨率 (~100 nm)，它的能量分辨率比较典型的为非常普通 (>10 meV)，这就使得它非常难以在许多新颖的量子材料中的电子结构的详细信息进行详细的细节上的视觉观察。

基于对X射线光源的补充，真空紫外（VUV）激光为基础的光源可以提供非常高的能量分辨率 (~0.2 meV), 深的探测深度和比较低的成本（同同步辐射光源相比较）。然而，VUV比较长的波长也同时损伤了该光源的空间分辨率（直到今天，比较典型的是只有几个微米），使得该光源在表征小尺寸的片状样品或空间不均（磁性材料，电子材料或者复合材料为主题的）的材料时变得比较困难。

在近期出版的期刊《 Light Science & Applications》上，来自国防科技大学的Yuanhao Mao及其合作者发展了一个波长为177nm的真空超紫外（VUV）激光系统用于扫描光电子能谱微观分析，在使用无球差波带片的时候，在焦距为~45 mm的时候具有的焦点<1 μm。基于这一微观微观分析，他们同时还构建了一个离轴荧光探测平台，在揭示材料的微妙特征方面，同传统的激光器相比，呈现出超级的能力。

同当前的DUV激光光源用于ARPES时具有的空间分辨率相比较，177nm的VUV激光光源可以帮助ARPES测量覆盖巨大的动量空间和具有较好的能量分辨率，但在获得优异的空间分辨率这块仍然存在许多挑战和困难。

图2 本研究成果的离轴光谱学

首先，严重的球面像差会在高NA折射透镜中存在。其次，由于在VUV频率波段的强烈吸收，只有非常有限的材料可以用来作为光学镜片来校准球面像差。第三，在实践操作中来检查入射光的质量（准直、均匀和有效直径）和在光学元件中的排列是非常困难的，这是会因为 VUV 光束是不可见的和几乎所有的镜片都必须放置在真空中或者封闭在一个充满惰性气体的腔体中。

这一VUV激光聚焦系统包含５个功能部件，一个355 nm的激光器，一个二次谐波产生平台，一个光束整形平台，一个极化调整部件和平面透镜的聚焦部件。

为了避免球面像差，我们引入了平面衍射透镜来实现紧凑的聚焦光，通过精细的调整多束光的干涉来实现。

这一ＶUV激光系统具有超长的焦距聚焦长度 (~45 mm)和小的焦点光斑(~0.76μm)，亚微米的空间分辨率(~760 nm)，超高的能量分辨率 (~0.3 meV) 和超高的亮度 (~355 MWm-2)，它可以直接应用到科学仪器中，诸如光发射电子显微镜（photoemission electron microscopy (PEEM)），角分辨光电子能谱（angle-resolved photoelectron spectrometer (ARPES)）和深紫外激光拉曼光谱。在目前，这一系统已经同位于上海技术大学的ARPES连接在一起来揭示不同的新的量子材料，诸如准一维拓扑超导体TaSe3，磁性拓扑绝缘材料 (MnBi2Te4)(Bi2Te3)家族材料等的精细的能带特性。该成果的科学家提到。

文章来源：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).