当光打到样品上时，整个2π立体角的电子都被打出来，但第一代ARPES一次仅能探测一个很小角度内的电子，对应于动量空间一个点；第二代ARPES可以收集一条线上各角度的电子，对应于动量空间的一条cut；而第三代的飞行时间ARPES（ARToF）可以同时收集二维角度空间的电子，直接测量动量空间一个面的信息。

图1 ARPES探测器整体的发展过程（a）第一代探测器（b）第二代探测器，现在最常用的半球型探测器（c）第三代探测器，可以同时测量一个面信息的飞行时间探测器

　　当脉沖激光到达样品表面时，其中的一小部分光子会被样品反射到MCP上，MCP会探测到光子并记录光子到达的时刻t0。样品与电子探测器之间的距离约1米，在这段时间内光子飞行的时间可以忽略不计，因此t0可以作为脉冲激光到达样品的时间，也就是光电子飞行的起始时间。每个光电子在电子透镜组中沿着特定的轨道到达MCP的时刻用t1来表示， t1- t0便可以得出光电子从样品表面到MCP的飞行时间t。 DLD由两组相互垂直的铜导线构成，当经过MCP放大后的电子团到达DLD时，便会在对应位置的两根导线上激发出局域电流，局域电流会分成两部分向导线的两端移动，并被记录到达导线端点的时刻，分别为tx1， tx2， ty1， ty2，通过这四个时刻便可以得出电子团到达DLD的位置，即光电子到达电子探测器的位置x和y。对于数据的存储，实际上是使用平面极坐标系，利用r=√(x^2+y^2 )=以及cos∅=x/r, sin∅=y/r将（x,y）转换成（r, ∅ ），再通过相应的转换关系便可以得到光电子的能量和动量信息。

图2 ARToF分析器原理三维示意图

　　分析器：主要由圆柱形的电子透镜和延迟线探测器组成，能量分辨率小于1meV，动量分辨率可以通过测Bi2212 nodal 方向MDC 的宽度获得，目前测得的最小展宽为0.0079(𝜋/𝑎)。 光源系统：配备了6.994eV和10.897eV激光，6.994eV激光重频在0.2~1MHz内连续可调，结合mircolens使光斑大小在20~150μm 之间连续可调。 样品台：同时配备了六轴（样品温度小于10k）和四轴样品台(采用液氦自循环系统，样品温度小于2.5k)，以满足各种不同实验需求。通过改造一级也可以实现与平板托互通。

图3 （a）ARToF系统示意图，右上角插图显示了不同光子能量激光的探测范围（b）ARToF系统各个部分实物图

　　优点： （1）二维动量空间的探测，探测效率大大提升。同时也提高了动量分辨率，避免了半球型分析器转动样品mapping带来的测量位置变化和动量上的不连续。 （2）没有非线性效应：半球型能量分析器不对电子信号进行直接测量，而是通过让电子轰击在荧光屏上，将电子强度信息转换为荧光屏的发光亮度，再通过一个高分辨的 CCD 来进行探测；飞行时间能量分析器原理上是一个一个地在“数”电子，可以避免电子信号-光信号-电信号的多重转换过程中带来的非线性效应。

图 4 ARToF系统的能量分辨率测试结果（a）六轴测金EDC及展宽（b）极低温测金及展宽。

图5 ARToF系统的动量分辨率测试结果。最佳掺杂Bi2212费米面、节点方向能带及费米能处MDC。

图6 R4000和ARToF分析器的非线性效应

　该设备在探索材料的电子结构和高温超导机理上具有独特的作用，代表性工作有：(Ba0.6K0.4)Fe2As2中Г点精确的能隙结构测量及其温度演化，并发现其超导电性产生于具有很好的费米面但是没有准粒子的正常态的奇特现象[1]；新型铁基超导体KCa2Fe4As4F2中Г点观测到了五空穴型pocket，并且由于层间的轨道相互作用导致了清晰的能带劈裂[2]； 在Tc=75K的过掺Bi2212中观测到了bonding和antibonding两个具有不同掺杂的费米面，并且两个费米面拥有不同的能隙大小和对称性[3]；FeSe块材向列相中高度各向异性费米面上极为各向异性超导能隙的测量[4]和额外的对称性破缺发现[5]。

图7 KCa2Fe4As4F2费米面测量

图8 Bi2212正常态和超导态能带结构的测量

图9 单畴和多畴FeSe块材的费米面

学术成果
[1] HUANG J, ZHAO L, LI C, et al. Emergence of superconductivity from fully incoherent normal state in an iron-based superconductor (Ba0.6K0.4)Fe2As2 [J]. Science Bulletin, 2019, 64(1): 11-9.
[2] WU D, HONG W, DONG C, et al. Spectroscopic evidence of bilayer splitting and strong interlayer pairing in the superconductor KCa2Fe4As4F2 [J]. Physical Review B, 2020, 101(22):
[3] AI P, GAO Q, LIU J, et al. Distinct Superconducting Gap on Two Bilayer-Split Fermi Surface Sheets in Bi2Sr2CaCu2O8+δ Superconductor* [J]. Chinese Physics Letters, 2019, 36(6):
[4] LIU D, LI C, HUANG J, et al. Orbital Origin of Extremely Anisotropic Superconducting Gap in Nematic Phase of FeSe Superconductor [J]. Physical Review X, 2018, 8(3):
[5] LI C, WU X, WANG L, et al. Spectroscopic Evidence for an Additional Symmetry Breaking in the Nematic State of FeSe Superconductor [J]. Physical Review X, 2020, 10(3):