角分辨光电子能谱仪(ARPES)具有能量和动量分辨能力，是探测材料能带结构的重要手段。随着超快激光技术的发展，结合泵浦-探测技术的超快角分辨光电子能谱仪(TR-ARPES)由于兼具时间分辨能力，可用来探测非平衡态的电子能带信息，备受关注。基于高次谐波产生(HHG)的TR-ARPES还具有光子能量高、光子能量可调谐的优点，使得其探测范围可覆盖大范围布里渊区，在电荷密度波(CDW)材料、过渡金属二硫化物(TMD)材料的超快动力学过程研究中具有重要作用。

近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室丁洪研究组(EX7组)博士生陈发民、潘默君、刘俊德，在研究员钱天和副主任工程师运晨霞的指导下，研制出国内首台基于高重复频率、高通量高次谐波光源的超快角分辨光电子能谱仪(HHG-TRARPES)，并通过了现场测试(图1)。该仪器系统配备了六轴低温样品台、DA30半球分析器，极限真空优于10^-10torr，最低温度小于6K，其光子能量连续可调(20-60eV)，重复频率为0.4MHz。第18阶次光子(21.6eV)的能量分辨率为109meV，时间分辨率为120fs，样品位置处的光通量约为10¹¹ph/s，综合参数达到世界同类型设备的一流水平。此外，全设备接入自主开发的控制系统，实现了集成化、智能化、便捷化操作，时间和角度联动扫谱，内置真空自锁与保护功能。目前，实验装置已进入稳定运行阶段，实现了对拓扑绝缘体Bi₂Se₃未占据态和电荷密度波材料1T-TiSe₂能带动力学演化过程的测量(图2、3)。这一设备的搭建完成，为未来研究量子材料中电子的超快动力学过程、未占据态及新型电子态提供了关键的实验平台。

研究工作得到北京市科学技术委员会、国家自然科学基金委员会、中科院战略性先导科技专项(B类)、中科院科研仪器设备研制项目等的支持。高次谐波光源部分得到光物理重点实验室(L07组)副研究员赵昆、研究员魏志义及联合培养博士研究生王佶、许思源等的协助。

图1 实验室设备全图

图2 拓扑绝缘体Bi₂Se₃未占据态的测量

图3 CDW材料1T-TiSe₂的能带动力学过程(T=87K)

图4 集成控制系统