大气激光通信的光电探测器（用于空间分辨光电发射光谱的亚微米光斑真空紫外激光器）

(a)激光束穿过KBBF晶体(顶部)和平面透镜(中间)的示意图;(b)在CaF2衬底上蚀刻的平面透镜的显微图像(插入:光学设备的照片);(c)焦点的测量。采用刀口扫描法测量焦平面附近焦斑的实验轮廓。基于不同的概要文件z-cut飞机,外侧(x和y方向上)强度资料检索的真正的现货是由我们自制的算法,然后产生光斑大小(应用)的标签,而红色(x)和绿色(上)(d)显微图像和(e)扫描透射CaF2衬底上的石墨烯样品的形象。来源:毛元浩、赵东、闫申、张宏嘉、李娟、韩凯、徐晓军、郭川、杨乐贤、张超凡、黄昆、陈玉林

如果真空紫外激光器能聚焦成一个小光斑，它将允许研究介观材料和结构，并使纳米物体的制造具有卓越的精度。为了实现这一目标，中国科学家发明了一种177纳米VUV激光系统，可以实现长焦距的亚微米焦斑。该系统可重新配置用于低成本的角度分辨光电发射光谱(ARPES)，并可能有利于凝聚态物理。

近年来，扭曲双分子层石墨烯、单分子层铜超导体、量子自旋霍尔材料等二维量子材料的迅速发展显示出重要的科学意义和广阔的应用前景。为了表征这些材料/器件的电子结构，ARPES通常被用来测量样品在x射线或真空紫外(VUV)光源照射下光发射的电子的能量和动量。尽管基于x射线的空间分辨ARPES由于波长较短而具有最高的空间分辨率(~100 nm)，但其能量分辨率一般(>10 meV)，这使得许多新型量子材料的电子结构细节难以可视化。与x射线光源相比，VUV激光光源具有更好的能量分辨率(~0.2 meV)、更强的探测深度和更低的成本。然而，VUV光源的较长波长也降低了其空间分辨率(到目前为止通常为几微米)，使其不足以表征小尺寸鳞片样品或空间不均匀(如磁性、电子或复合畴)材料。

Mao和他的同事在《光科学与应用》杂志上发表了一篇新的论文，他们利用无球像差的带板开发了一种177 nm VUV激光扫描光电发射显微镜系统，该系统在长焦距(~45 mm)下具有<1 μm的焦斑。基于这种显微镜，他们还建立了一个离轴荧光检测平台，在揭示材料的细微特征方面表现出优于传统激光系统的能力。

与目前用于ARPES的具有空间分辨率的DUV激光源相比，177 nm VUV激光源可以帮助ARPES测量覆盖更大的动量空间，具有更好的能量分辨率，但要使其具有良好的空间分辨率还存在许多挑战和困难:

“首先，高钠折射透镜存在严重的球差。其次，由于在VUV频率上的强吸收，只有非常有限的材料可以用于光学校正球差。第三，实际上很难检查入射光束的质量(准直、均匀性和有效直径)以及光学元件之间的对准，因为VUV光束是不可见的，所有的光学器件都必须放置在真空或充满惰性气体的密封腔中。”

该VUV激光聚焦系统包括五个功能部分:355 nm激光器、二次谐波产生阶段、光束整形阶段、偏振调节部分和平面透镜聚焦元件。

“为了避免球差，我们引入了平面衍射透镜，它可以通过微调多束光束的干涉来实现光的紧密聚焦”，他们补充说。

该VUV激光系统具有超长焦距(~45 mm)、亚微米空间分辨率(~760 nm)、超高能量分辨率(~0.3 meV)和超高亮度(~355 MWm-2)。可直接应用于光电发射电子显微镜(PEEM)、角度分辨光电子能谱仪(ARPES)、深紫外激光拉曼能谱仪等科研仪器。目前，该系统已与上海理工大学的ARPES连接，揭示了各种新型量子材料的精细能带特征，如准一维拓扑超导体TaSe3、磁性拓扑绝缘体(MnBi2Te4)(Bi2Te3)m族等。”