文/周兴江 曹凝

1中国科学院物理研究所北京100190

2中国科学院计划财务局北京100864

深紫外固态激光源光电子能谱仪系列装备

文/周兴江1曹凝2*

1中国科学院物理研究所北京100190

2中国科学院计划财务局北京100864

重大科研装备，深紫外固态激光源光电子能谱仪系列装备

1 引言

先进材料，包括关联电子系统和复杂材料、磁性材料和自旋电子学材料、纳米结构和纳米材料等，是现代凝聚态物理研究领域异常活跃的前沿课题。一方面，这些材料的应用将直接在能源、信息技术和环境等与国计民生密切相关的领域产生巨大影响，如对新兴的自旋电子学的研究，将对研发新一代的信息技术具有至关重要的意义。另一方面，这些新材料和新的物理现象本身也为新的科学突破提供了契机，如在强关联电子系统中，因为电子-电子的强相互作用，尤其是电子、自旋、晶格及电子轨道之间的相互关联，导致一系列奇异的量子现象，比如铜氧化合物中的高温超导电性、锰氧化合物中的庞磁电阻特性等。尽管高温超导电性已被发现20多年，但导致高温超导的机理目前仍不清楚，成为凝聚态物理研究中的最重要物理问题之一。

尖端科学仪器的研发对促进凝聚态物理的发展和新理论的建立起着至关重要的作用。光电子能谱技术正是研究高温超导体等先进材料微观电子结构的高尖端实验手段。由于任何材料的宏观物理性质都由其微观的电子运动过程支配，所以要了解、控制和利用先进材料中众多的新奇物理现象，就必须首先研究它们的电子结构。众所周知，要完全描述材料中电子的状态，需要获得能量（E）、动量（k）和自旋（s）3个基本的参量，光电子能谱技术是所有实验手段中唯一能直接测量这些参量的实验手段，所以它在强关联电子体系和其他先进材料的研究及理论发展中处于非常突出的地位。

深紫外激光在光电子能谱技术中的应用，为光电子能谱技术的发展开辟了一个新的途径。在中科院物理所2006年成功研制的国际第一台超高能量分辨率角分辨光电子能谱仪中，通过使用真空紫外激光这一新的光源，实现了能量分辨率优于1meV的梦想，获得的激光强度（1014—1015光子/秒）比现有的同步辐射光源提高了2—3个量级，采用真空紫外激光对应的样品探测深度比通常的同步辐射提高一个量级，解决了长期困扰光电子能谱技术的表面敏感问题，把已有的光电子能谱技术提升到一个新的水平。同时，深紫外光源在建设成本和运行费用上，显著低于同步辐射光源的开支，为光电子能谱技术的普及和推广创造了条件。基于此，利用具有完全自主知识产权的深紫外激光光源技术，在2007年设立的国家重大科研装备“深紫外固态激光源前沿装备研制”中，由中科院物理所牵头开展了“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研制”、“光子能量连续可调深紫外激光光电子能谱仪研制”、“基于飞行时间能量分析器的深紫外激光角分辨光电子能谱仪研制”等深紫外固态激光源光电子能谱仪系列装备的研制工作。

2012年4月28日，中科院计划财务局组织专家对上述3个项目进行验收，验收专家一致认为：

“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研制”项目首次将我国科学家自主研制的深紫外激光光源应用于自旋分辨/角分辨光电子能谱技术中，利用深紫外激光的超高能量分辨率、超高光束流强度等特点，获得了2.5meV的自旋分辨能量分辨率，这是目前国际上报道的最高水平。另外，在自旋分辨/角分辨光电子能谱系统中，安装了两个莫特型自旋探测器，从而可以实现同时测量x,y,z三个方向的电子自旋极化。该系统还具有激光偏振可调（线偏振可调和圆/椭圆偏振可调），样品极低温，样品原位处理和制备等功能，是一套具有独特性能的世界领先的角分辨/自旋分辨光电子能谱系统。该仪器的研制成功，将为与自旋相关的先进材料和凝聚态物理领域的研究提供又一个新的非常重要的手段。

“光子能量连续可调深紫外激光光电子能谱仪研制”首次将自主研制的光子能量连续可调的深紫外激光光源应用于角分辨光电子能谱技术中，实现激光在175—210nm（对应激光光子能量7.09—5.90eV）连续可调，从单一光子能量发展到光子能量连续可调，除了保持激光角分辨光电子能谱仪的超高能量分辨率，超高光束流强度和对体效应敏感等独特优势外，一方面将有利于获得材料更丰富的电子结构信息，另一方面将大大增加可研究材料的种类。该项目的实施是我国自主研发高精尖仪器的又一个成功范例，属于源头创新工作。

“基于飞行时间能量分析器的深紫外激光角分辨光电子能谱仪研制”项目首次将我国科学家自主研制的真空紫外激光光源（6.994eV）应用于基于最新一代飞行时间电子能量分析器的角分辨光电子能谱仪中，使角分辨光电子能谱技术从目前广泛使用的动量空间的一维探测发展到二维探测，除了保持激光角分辨光电子能谱仪的超高能量分辨率、超高光束流强度和对体态敏感等独特优势外，还使动量空间的探测效率提高了200倍以上，成为具有国际领先性能的激光光电子能谱系统。

2 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

光电子能谱技术在过去十几年中迅猛发展，如能量分辨率由（20—40）meV发展到（5—10）meV，角度分辨率由原来的2度发展到0.2度。这些显著进步，把角分辨光电子能谱这一传统的能带测量工具，上升为研究材料中多体相互作用的重要实验手段，并在高温超导体和其他先进材料的研究中获得了一系列新的发现。但随着对先进材料和相关物理问题研究的不断深入，对光电子能谱仪技术性能的要求也越来越高，现有光电子能谱技术在超高能量分辨率、信号体效应的增强等一些关键性能上亟待进一步改进。

光电子能谱技术的新目标，是要实现对材料电子状态的完全描述，即对电子的能量、动量和自旋三个参量同时进行测量。已有角分辨光电子能谱只能测量能量和动量两个参量，而要测量电子的自旋，则需要光电子能谱技术具备自旋分辨功能。电子自旋探测的重要性，一方面是因为材料的众多奇异物性均和电子的自旋直接相关，例如在高温超导电性研究中，反铁磁自旋涨落与超导电性的关系一直是研究超导机理的一个核心问题，而在庞磁电阻锰氧化合物材料中，庞磁电阻的产生与材料的磁学性质也紧密地联系在一起。另一方面，对电子自旋的研究，更与新兴的自旋流和自旋电子学在信息领域的应用密切相关。因此，自旋分辨光电子能谱作为探测材料中电子自旋状态的最直接的实验手段，无论对自旋电子学材料的探索，还是对量子自旋流现象和先进材料中众多新奇量子现象相关的物理研究，都具有重要的意义。

长期以来，由于自旋分辨光电子能谱仪的效率很低，导致它的能量分辨率差并缺乏角分辨功能，这两大弱点大大限制了自旋分辨光电子能谱仪获得关键信息的能力，阻碍了它在材料和物理研究中的广泛应用。深紫外激光的最显著特点在于它的单色性好，亮度高，正好为研制同时具有角分辨和自旋分辨全功能的高能量分辨率光电子能谱仪提供了良好的契机。此外，深紫外激光的使用还会大大增强光电子能谱分析技术对材料体效应测量的灵敏性。该项目的目标，就是要利用我国在深紫外激光方面的自主知识产权优势，启动发展高分辨多功能光电子能谱技术的第一期工程，即研发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技术，使自旋光电子能谱技术产生质的飞跃，改变现有设备无法满足科研发展需求的现状，并使我国在相关领域始终保持国际领先地位。

同时具有自旋分辨和角分辨功能的光电子能谱(以下简称自旋分辨/角分辨光电子能谱仪)的工作原理是：当光束照射在样品上，材料中的电子由于光电效应会逃逸样品，并被自旋分辨/角分辨光电子谱仪中的电子能量分析器和自旋探测器接收并分析，电子能量分析器以角积分或角分辨模式工作，提供具有超高能量分辨率（优于20meV）和自旋分辨的光电子能谱数据，实现研究电子的自旋状态的目的。结合角分辨光电子能谱分析技术，可以同步获取能量、动量和自旋这3个物理量，实现对材料的电子状态的全面描述。根据其工作原理，该项目的研制内容包括以下几个方面。

（1）与VG Scienta公司合作，研发能适用于低能光电子角分辨功能，并能和自旋探测器相匹配的高能量分辨率、高角度分辨率、高电子通量的电子能量分析器，研发高效率的莫特型自旋探测器。

目前国际公认性能最好的能量分析器是由瑞典VG Scienta公司生产的半球型能量分析器。为了能和紫外激光匹配，获得最佳能量和动量分辨率，该项目采用了新型的Scienta R4000电子能量分析器。它的能量分辨率高（好于1 meV），并具有独特的角分辨模式，可同时分别测量30、14和7度角，最佳角度分辨率为0.3度。

目前国际上性能最好的自旋探测系统也是由VG Scienta公司生产的，它的核心是Rice大学生产的莫特型自旋探测器，电子通过自旋转换（spin transfer）透镜系统从能量分析器进入莫特型自旋探测器，自旋分辨功能得以实现。该系统与Scienta R4000电子能量分析器共用相同的软件操作系统，兼容性高，不需机械操控，两个分析器间的转换快捷简便，利于角分辨和自旋分辨双重功能的同时实现。

不过，由于标准R4000商业化产品的角模式只能工作在5eV动能以上，而该项目使用的真空紫外激光激发的光电子动能小于3eV，因此需要由公司重新计算然后由物理所进行试验并改进标准配置的至关重要的“透镜表”参数，以使该先进的电子能量分析仪能够工作在真空紫外激光低光子能量区域。另外，研究人员通过在第零级透镜前端安放一个小孔光阑并使得R4000工作在“Transmission（透射）”模式，来实现另一种同时实现角分辨和自旋分辨的方式。除此以外，物理所与该公司合作，在半球分析器入口处设置合适的专用光阑，并优化电子能量分析仪运行参数，尽可能提高低动能电子进入的传输效率，以便获得尽可能好的统计的实验数据。对电子自旋探测器本身，可采用提高散射靶的加速电压的办法进一步提高探测效率；

（2）研制超高真空、超低磁场样品分析室，以达到好于1×10-10mbar的超高真空和小于10mGauss的剩磁，保证低能光电子能谱测量的正常进行。

由于使用紫外激光时光电子的动能很低（小于3eV），微弱的磁场都可以使光电子改变方向，从而失去原有的角度即电子动量的信息。因此，要保证低能电子的角分辨模式工作正常，超高真空室样品位置的剩余磁场必须非常小（＜10 mGauss）。为此，研究人员直接用屏蔽材料mu金属加工超高真空样品室，并另外再加一层mu金属屏蔽。而超高真空是进行角分辨光电子能谱实验所需的最重要和必不可少的环境，但是要兼顾获得10-10mbar量级的超高真空和低于10mGauss的最佳磁屏蔽，并不是一件简单的事情。在真空腔加工时，通过“喷丸”处理和电抛光处理，将材料放气和漏气减到最小，以适应10-10mbar量级的超高真空需要。同时，为了获得超高真空，通过对所需真空泵的抽气量进行仔细核算，合理分配各类真空泵的配置；

（3）研制不仅具有完全平动和转动自由度，而且能达到低温的样品转角仪，以对样品实现全面角分辨测量，并实现和变温相关的重要物理测量。

自旋分辨/角分辨光电子能谱仪，一方面要求样品能自由转动，以测量任意需测的动量。另一方面，样品必须能达到低温，以避免温度引起的谱线展宽。但这两者往往是互不相容的。该项目中的样品转角仪连在近于恒温的支撑管上，而不是直接和液氦致冷器相连，所以样品的位置对温度变化很稳定。根据研究工作的需要，该项目研制了2套样品转角仪，一个是具有所有运动自由度（3平动，3转动）的样品转角仪，样品最低温度接近15K。另一个是具有3个平动自由度和1个转动自由度的极低温样品转角仪，通过牺牲转动自由度和研制致冷器、改进样品冷却台等方法使样品最低温度达到5K左右；

（4）研制样品传输系统，以实现安全快速地把样品由空气环境传输到超高真空样品分析系统，而不破坏超高真空环境。

为保证样品从空气环境传送到超高真空室时，不破坏样品室的超高真空，采用了三级样品传输系统。第一级可以打开放气，装卸样品，真空在10-7—10-8mbar之间，第二级真空在10-9—10-10mbar之间，第三级是样品解理超高真空室，真空在10-10—10-11mbar之间。这样，样品从空气到超高真空样品分析室，不需要烘烤，整个传输过程可以在短时间内（半小时左右）完成；

（5）研制样品原位处理与磁化系统，实现对样品的原位清洁和表征，对磁性样品实现磁化，以进行自旋分辨光电子能谱的测量。

自旋分辨实验中，大部分样品需要经过磁化或原位磁化后才进行测量。为了避免采用过高的磁场来实现样品的磁化，样品一般都采用薄膜。因此，光电子能谱技术中常用的对单晶样品解理的方法，对薄膜样品一般难以实现，而必须采用溅射或加热处理的方法。

该项目联合沈阳科学仪器研制中心有限公司设计并建立了专用的超高真空样品原位处理及传输系统，既能实现对样品的原位加热和磁化，也能解决样品在加热和磁化处理系统和光电子能谱测量系统之间的传递问题。

对于样品磁化，采用线圈进行脉冲放电的方式产生磁场，对于加磁场和退磁场采用程序控制的方式，适应不同的样品需求。应用线圈产生磁场的好处是，去掉电流后不留任何剩场，不会由于不同的磁化历史对样品磁化产生影响；

（6）研制深紫外激光和光电子能谱仪的对接系统，既要保证深紫外激光能低损耗地进入超高真空样品分析室，又要保证深紫外激光室的低真空不影响样品分析室的超高真空。

该项目所用的真空紫外激光光源必须工作在一个大气压的氮气气氛中，以保护其中的核心部件（倍频晶体）免受损害。能谱测量则必须工作在好于1×10-10mbar的超高真空条件下，这就要求在紫外激光光源和能谱分析真空室之间加一个既能在超高真空下工作，又能允许紫外激光透过的窗口。对此该项目采用超高真空氟化钙镀膜窗口，这种窗口是目前已知能够透过80%—90%紫外光的最合适的超高真空窗口（窗口两侧还需要镀光学增透膜）。

为避免超高真空氟化钙镀膜窗口技术工艺使用一段时间后出现损坏，致使直接威胁到谱仪样品分析室的真空安全，在深紫外激光光源和能谱仪对接时，采用了一个小的中间超高真空室进行过渡。这样当真空规监测到超高真空氟化钙镀膜窗口出现漏气时，可通过自动控制电路、气路关闭门阀，保证主分析室真空不破坏；还可以在不破坏主分析室真空的前提下进行深紫外激光光源的维护。

3 光子能量连续可调深紫外激光光电子能谱仪

真空紫外激光在超高能量分辨率和超高光束流强度方面拥有目前同步辐射光源无法比拟的优势，使得利用真空紫外激光的光电子能谱仪可以开展现有同步辐射光源难以开展的工作。然而，与同步辐射光源相比，目前的深紫外激光只有单一光子能量的弱点也很明显。对光电子能谱技术而言，由于光电效应过程存在着选择定则（矩阵元效应），有些电子结构在某些光子能量下可以清楚地显示出来，但在其他光子能量下则可能很弱甚至观察不到。所以，单一固定的光子能量，有可能错过一些能带结构，甚至可能观察不到重要的电子结构信息。从单一光子能量发展到光子能量连续可调，可获得材料的全面电子结构信息，并大大增加可研究材料的种类，是深紫外激光技术的自然发展趋势。

为保持我国在深紫外激光光电子能谱方面的优势和国际领先地位，需要开拓深紫外激光在光电子能谱技术应用中的深度和广度，其中一个重要方面就是研制光子能量连续可调深紫外激光光电子能谱仪，以继续提升光电子能谱技术的层次和功能，推动凝聚态物理和材料科学相关学科的发展。因此，该项目所研制的能谱仪除了具有超高能量分辨率、超高光束流强度和信号体效应增强的优点外，还具有光子能量连续可调的独特优点，这一优势不仅能够获得材料的全面电子结构信息，还可大大增加可研究材料的种类。

该仪器建立在2006年底研制成功的真空紫外激光角分辨光电子能谱仪的基础上。二者共用电子能量动量分析、样品转动冷却、样品制备表征和样品传输系统。研制的光子能量连续可调深紫外激光光源经过高效、低损耗的传输系统对接到谱仪系统上。

患者,男,36岁,货车司机,头痛项强伴眩晕、恶心呕吐。平卧眩晕减轻,动则尤甚。查:颈椎CT显示:C4~6椎体骨质增生。诊断为:颈椎病。中医辩证为少阳兼太阳证。冶宜和解少阳,调和气血。处方:柴胡12 g,黄芩12g,党参15g炙甘草9g,生姜三片,大枣6枚,桂枝12g川芎12g,葛根25g,日1剂,水煎服,1日2次。3剂后,眩晕减轻,原方再服10剂痊愈。

能量连续可调深紫外激光的使用，对能谱仪的设计也提出了更高的要求。在激光能量比较低时，光电子的动能更小，对能谱仪的要求也就更苛刻。例如，在激光能量为5.9eV时，对应的光电子的动能要小于1eV，这需要对样品室中的剩余磁场进行更好的屏蔽，同时也要采取措施，来保证电子能量分析器的角分辨功能，使其对如此低的光电子能量，仍能正常工作。此外，还需要针对在样品上加偏压是否有可能改善电子能量分析器的角分辨功能，以及偏压对采集数据的影响等问题开展探索性研究。基于这一考虑，需要设计研制一个专门的极低温可加偏压样品转角仪系统。

该项目的主要关键技术包括：

（1）电子能量分析器对极低动能光电子（1—3eV）进行角分辨模式探测的技术。由于VG Scienta公司生产的最新型Scienta R4000-WAL-0.1电子能量分析器，其角模式只能工作在5eV动能以上，而该项目所使用的光子能量连续可调深紫外激光激发的光电子的动能仅约1—3eV，因此同样需要由公司重新计算，然后由物理所研究人员进行试验并改进标准配置的至关重要的“透镜表”参数，以使该先进的电子能量分析仪能够工作在深紫外激光低光子能量区域；

（2）兼顾获得10-10mbar量级的超高真空和获得低于10mGauss剩余磁场的磁屏蔽的样品分析真空腔设计、制造技术。该谱仪与2006年底研制成功的真空紫外激光角分辨光电子能谱仪共用样品分析磁屏蔽超高真空室；

（3）极低温可加偏压样品转角仪技术。为了实现对诸如超导体的能隙等非常小的能量尺度进行光电子能谱研究，分析在样品上加偏压是否有可能改善电子能量分析器的角分辨功能，以及偏压对采集数据的影响等问题，研究人员以美国Janis公司开发的超高真空低温样品台为基础，并与日本的R-DEC公司合作，重新设计低温恒温器，充分利用冷氦气的显热冷却辐射屏，改进导冷机构，优化辐射屏设计和加工，进而采用真空减压降温的技术路线使样品温度可以降到约5K。另外，因为工作在角模式的电子能量分析仪接收光电子的范围位于第零级透镜前的一个水平狭缝中，因此辐射屏不必大幅开口，可以在辐射屏上设置一个小门，小门上开一个水平狭长槽孔，光电子出射。这样，可以大幅度减小辐射屏开口面积，大大增强热屏蔽能力，可以有效地降低样品温度；

（4）深紫外宽调谐全固态激光光源与能谱仪的对接技术。宽调谐激光的光束指向调整，不能使用单波长激光的介质膜反射镜，而需要用宽带金属反射镜。这种反射镜达到极高反射率所需要的材料组合是铝膜加MgF2涂层。研究人员与Acton公司合作解决了这一问题。另外，为了不影响原来的7eV超高分辨率激光光源，设计了高精度移动式光束指向调整对接系统，使得两种光源可以稳定地随时切换使用。

除以上关键技术以外，超高真空环境下样品的原位快速传递技术、原位超高真空样品制备技术等关键技术与“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”所采用技术特点一致。

4 基于飞行时间能量分析器的深紫外激光角分辨光电子能谱仪

随着光源技术的不断进步，角分辨光电子能谱技术中的电子探测技术也在不断快速发展。最近，国际上一种基于光电子飞行时间探测技术的电子能量分析器（ARToF）被成功研发出来，使角分辨光电子能谱的探测方式由目前广泛使用的半球型能量分析器的一维探测发展到同时实现动量空间的二维探测，角度探测效率提高约250倍。而且这类新的能量分析器由于其独特的电子飞行时间分辨机能，特别适用于使用非连续性脉冲光源的实验环境，尤其适用于激光光源。为了保持我国在国际相关领域的领先地位，基于研制前两台世界先进光电子能谱仪过程中所获得的宝贵经验，研制1台以飞行时间电子能量探测器（ARToF）为基础的深紫外激光角分辨光电子能谱仪变得十分必要。

该谱仪是一套独立的深紫外激光光电子能谱仪系统，配备了低重频皮秒脉冲激光光源和飞行时间电子能量探测器（ARToF），其主要研制内容包括：

（1）高光束质量、较高平均功率、低重复频率深紫外全固态激光源；

（2）与VG Scienta公司合作，使该电子能量分析仪能够工作在深紫外激光低光子能量区域，以实现飞行时间电子能量探测器（ARToF）对低动能光电子（＜3eV）进行角分辨模式探测；

（3）兼顾获得10-10mbar量级的超高真空和获得低于10mGauss剩余磁场的磁屏蔽的样品分析真空腔。

5 结束语

为了保障深紫外固态激光源光电子能谱仪系列装备按计划顺利研制，在研制设计和建造大型科学装置的丰富经验积累基础上，根据《国家重大科研装备研制项目管理办法（试行）》要求，实行研究所法定代表人负责制。建立了项目管理工作组和项目实施小组推进项目实施工作。

在制度建设上，制定了深紫外固态激光源光电子能谱仪系列装备的研制工作计划。该工作计划以项目的研制内容、研制目标、性能指标、研制周期、研制经费等要素为基础，从管理架构、经费和固定资产管理、进度安排、质量控制和风险控制等方面入手，加强实施过程管理。

在工作程序上，项目严格按照质量管理体系，从设计图纸、材料选择、部件加工到工艺安装等各环节进行规范管理。

“深紫外固态激光源光电子能谱仪系列装备”最显著特点表现在设施的总体系统效应，是集国际独占的非线性光学晶体与激光技术、国际最先进的光电子能谱技术于一体的综合项目。

上述3台设备的成功研制，将把光电子能谱技术再带上一个新的台阶，对获得材料的全面电子结构信息，扩展研究体系的深度和广度，为凝聚态物理，尤其是超导、磁学和自旋电子学等材料的研究，提供新的高尖端的实验手段。

依托“深紫外固态激光源光电子能谱仪系列装备”，物理所计划搭建国际光电子能谱技术中心，实现将我国拥有自主知识产权的先进技术向产品化的转变，进而推向市场。从研发非线性光学晶体材料、激光倍频器件、深紫外激光技术、光电子能谱仪器到前沿科学问题的研究，再到将我国拥有自主知识产权的一系列技术产品化，形成一个完整的体系，集中我国相关领域的中坚力量，密切合作，以期有所突破，实现我国占领该领域的国际制高点，为我国在材料、仪器和相关科研等高科技领域的自主创新奠定坚实的基础。

（相关图片请见封二）

2013年1月4日

中科院计划财务局副局长。E-mail:zbc@cashq.ac.