Development of an experimental apparatus for deep ultraviolet laser based angle resolved photoemission spectroscopy

Laser sources emitting in the ultraviolet regime were recently utilized in angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) in order to benefit from their high brightness, narrow line width, and low photon energy. The present thesis describes the development of an experimental apparatus for laser-based ARPES carried out starting from a pre-existing lamp-based ARPES facility. The utilized laser source emits light in the deep ultraviolet regime (hν = 5.528 eV), and was intended to complement the helium lamp that allows to measure at higher photon energies. Initially, the possibility of utilizing for the laser light the same optical path exploited by the lamp radiation was considered and confirmed. Then, the laser source was integrated into the ARPES facility. Finally, the operation and the performance of the new experimental setup were verified by performing both photoemission spectroscopy and angle-resolved photoemission spectroscopy measurements. These measurements proved the possibility to achieve a better performance in terms of count rate, background, momentum resolution, and bulk sensitivity by performing ARPES with the new light source. The physical and technological aspects related to the low photon energy of this laser source identify its area of applicability with the study of the band structure of low work function materials near the Fermi level and the Γ point.

Sorgenti laser a emissione nell'ultravioletto sono state recentemente utilizzate in spettroscopia di fotoemissione risolta in angolo (ARPES) per beneficiare della loro elevata brillanza, stretta larghezza di riga, e bassa energia di fotone. Il presente lavoro di tesi descrive lo sviluppo di un apparato sperimentale per ARPES basato sull'utilizzo di una sorgente laser, realizzato a partire da una presistente infrastruttura per ARPES basata sull'utilizzo di una lampada. La sorgente laser utilizzata emette luce nell'ultravioletto profondo (hν = 5.528 eV), ed era intesa affiancare la lampada ad elio che permette di misurare a più elevate energie di fotone. Inizialmente, la possibilità di utilizzare per la luce laser lo stesso cammino ottico sfruttato dalla radiazione della lampada è stata considerata e confermata. Successivamente, la sorgente laser è stata integrata nell'infrastruttura per ARPES. Infine, il funzionamento e le prestazioni del nuovo allestimento sperimentale sono stati testati effettuando sia misure di spettroscopia di fotoemissione che di spettroscopia di fotoemissione risolta in angolo. Queste misure hanno provato la possibilità di ottenere migliori prestazioni in termini di tasso di conteggio, fondo, risoluzione in momento, e sensibilità al volume effettuando ARPES con la nuova sorgente di luce. Gli aspetti fisici e tecnologici relativi alla bassa energia di fotone di questa sorgente laser identificano il suo campo di applicazione con lo studio della struttura a bande di materiali a bassa funzione lavoro vicino il livello di Fermi e il punto Γ.