需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用

方法文章

直接成像激光驱动的超快分子转动

9.7K 次观看

⸱

DOI：

10.3791/54917

⸱

2017年2月4日

 ,  ,  , 
1Department of Chemistry, Tokyo Institute of Technology, 2Equipment Development Center, Institute for Molecular Science, 3Department of Photo-molecular Science, Institute for Molecular Science

本文内容

摘要

我们提出了一种利用高分辨率库仑爆炸成像装置创建分子转动波包实时电影的实验方案。

摘要

我们介绍了一种用于可视化激光诱导的超快分子转动波包动力学的方法。我们开发了一种新的二维库仑爆炸成像装置，实现了此前难以实现的相机观测角度。在我们的成像技术中，双原子分子被圆偏振的强激光脉冲照射。喷射出的原子离子在垂直于激光传播方向的方向上被加速。通过使用机械狭缝选择位于激光偏振平面内的离子，并利用安装在偏振平面平行位置的高通量二维探测器进行成像。由于采用了圆偏振（各向同性）的库仑爆炸脉冲，所观测到的喷射离子角分布直接对应于脉冲照射时刻的转动波函数的平方。为了生成分子转动的实时影像，本成像技术与飞秒泵浦-探测光学装置相结合，其中泵浦脉冲产生单向旋转的分子集合体。由于我们的探测系统具有高图像通量，可通过实时监测快照轻松优化泵浦-探测实验条件。结果表明，所获得影像的质量足够高，能够清晰展示运动的详细波动特性。我们还注意到，该技术可集成到现有的标准离子成像装置中，无需进行大规模改造即可为分子系统提供新的相机角度或观测视角。

引言

为了更深入地理解并更好地利用分子的动态特性，清晰地可视化感兴趣的分子运动至关重要。时间分辨库仑爆炸成像（time-resolved Coulomb explosion imaging）是实现这一目标的有力方法之一1,2,3。在该方法中，首先由泵浦超短激光场激发感兴趣的分子动力学过程，随后通过具有时间延迟的探测脉冲对其进行探测。在探测光辐照下，分子发生多电离，并因库仑排斥作用而断裂为碎片离子。喷射出的离子的空间分布反映了分子在探测光辐照时刻的结构构型与空间取向。通过扫描泵浦-探测延迟时间并进行一系列测量，可生成分子运动的动态影像（分子电影）。值得注意的是，在最简单的情形——双原子分子中，喷射离子的角分布直接反映了分子轴的分布（即 转动波函数的平方）。

关于泵浦过程，近年来利用超短激光场对分子运动进行相干控制的研究取得了进展，已成功制备出高度可控的转动态波包4,5。此外，通过使用偏振态可控的激光场，可以主动调控分子旋转的方向6,7,8。因此，人们预期，若将库仑爆炸成像技术与此类泵浦过程相结合，便有望直观地呈现包含波动特性的分子旋转的详细图像9,10,11,12,13。然而，正如下文所述，我们在实验中有时会遇到与现有成像方法相关的困难。本文旨在介绍一种克服这些困难的新方法，并实现高质量的分子转动态波包动态影像。采用本方法拍摄的首部分子旋转实验电影及其物理意义已在我们先前的论文中发表11。相关技术发展的背景、本成像方法的详细理论分析，以及与其他现有技术的比较，将在即将发表的论文中阐述。本文将主要聚焦于该实验流程的实际操作与技术细节，包括典型的泵浦-探测光学装置与新型成像设备的集成。与之前的研究一致，本研究的目标体系为单向旋转的氮分子11。

现有的成像装置（如图1所示）主要实验难点在于探测器的位置或相机角度。在激光场诱导分子转动过程中，旋转轴与激光传播方向重合6,7,8，因此沿旋转轴方向安装探测器并不现实。当探测器被安装在避免激光照射的位置时，相机角度对应于对转动过程的侧向观测。在这种情况下，无法从投影的（二维）离子图像中重建分子的原始取向14。三维成像探测器14,15,16,17,18,19能够测量离子到达顶部探测器的时间及其撞击位置，为利用库仑爆炸成像直接观测分子转动提供了独特途径10,12。然而，三维探测器每次激光脉冲可接受的离子计数较低（通常<10个离子），这意味着难以生成高质量的分子运动长时间序列影像14。探测器的死区时间（通常为纳秒量级）也会影响图像分辨率和成像效率。此外，在激光重复频率<~1 kHz的情况下，通过实时监测离子图像来实现良好的泵浦-探测光束重叠也并非易事。尽管已有多个研究小组利用三维技术观测到了转动态波包，但所获得的空间信息仍有限和/或不够直接，尚未实现对包括复杂节点结构在内的波动特性的详细可视化10,12。

新型成像技术的核心在于 图1 中采用的"新相机角度"。在此构型中，激光束不会照射到探测器，同时二维探测器与旋转平面平行，从而实现从旋转轴方向进行观测。狭缝仅允许位于旋转平面（即激光脉冲的偏振平面）内的离子参与成像。可使用二维探测器，其计数率通常高于三维探测器（通常约为 ~100 个离子）。与三维探测相比，电子设备的设置更为简单，且测量效率更高。此外，无需耗时的数学重构过程（如Abel反演14）即可提取角度信息。这些特点使得测量系统的优化更加简便，并可生成高质量的动态图像。标准的二维/三维带电粒子成像装置可轻松改装为当前设置，且无需使用昂贵设备。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

方案

注意：本方案旨在阐明我们为建立当前方法所实际进行的操作。包括腔室和光学装置设计以及部件尺寸和类型在内的具体参数，并非在将本系统应用于读者自身设备时始终必需。各步骤中的操作要点将以注释形式给出。

1. 二维切片成像装置的构建

注意：在此步骤中，所有市售部件和设备（如真空泵和检测器）均需根据制造商的说明或用户手册进行安装。

  1. 与构建典型的二维/三维离子成像装置相同14，设计并构建一个差分抽气式真空腔室，该腔室需具备足够的空间以容纳脉冲阀、分子束聚束器、离子光学系统（由直径100 mm、中心孔径50 mm的环形电极堆叠而成）、离轴离子成像单元（包括一个脉冲排斥电极和由磷光屏支撑的微通道板堆叠）以及离子飞行管（>200 mm 漂移区）。
  2. 使用四个螺纹柱（15 cm）将脉冲阀连接到腔室隔板上， Φ12 mm），其隔板上的螺栓孔与腔室同心。使用固定板将分子束聚束器直接安装在喷嘴前方的腔室隔板上。
    注意：在构建离子成像装置时，必须确保分子束轴线与激光束轴线在离子光学系统的轴线上相交。为实现这一点，可将分子束轴线定义为源室轴线，步骤1.2即为此目的而设。此外，须使锥形截面喷嘴（skimmer）的孔与阀门喷嘴对齐，以确保分子束中心能够通过skimmer进入差分抽气区域。还需考虑脉冲阀的重量，因此必须使用足够粗的螺纹支柱将脉冲阀连接至隔板。保持喷嘴与隔板之间15 cm的距离，以避免气体反射效应及skimmer干扰20.
  3. 将离子光学器件安装至差分泵浦腔室的最终阶段，如同典型的离子成像装置中的设置21.
    注意：此步骤操作如下：将带螺纹的安装柱拧入腔室隔板。在安装柱上，通过螺母固定一组离子光学元件。由于安装柱的螺栓孔与腔室同轴，离子光学元件的轴线与分子束的轴线重合。
  4. 在带有通孔的真空法兰与光学玻璃窗（1 mm 厚度，25 mm 直径，熔融石英）之间放置一个 P16 O 型圈，安装光学玻璃窗，以便激光脉冲与分子束相交。
    注意：通过这些窗口，激光脉冲可到达第一和第二离子电极的中部，并与离子光学系统的轴线相交。
  5. 构建离轴离子成像装置（图2).
    注意：在此步骤中，始终参考 图2 用于验证单元的三维排列。所有电极部件（离子探测器和排斥极）均使用PEEK螺栓固定在100 mm基板上，而其他部件则使用不锈钢螺栓固定。关键在于将一个二维成像探测器安装在离子漂移区域中，使其探测表面与离子光学轴平行，并与激光传播轴垂直。当然，所有用于高电压环境的部件都应进行电绝缘。建议离子光学（飞行）轴与探测器表面之间的距离为几毫米（在当前情况下为5 mm）。距离过长会导致将离子推至探测器所需时间增加，而距离过短则可能导致微通道板（MCP）表面与脉冲排斥极之间发生放电。
    1. 用光学显微镜（约30倍）和/或光学比较仪观察狭缝刀片（100 mm长度）的边缘，确认不存在大于 30 µm 位于狭缝刀片的边缘处。
      注意：狭缝刀片应平行安装，不得有任何凹痕或划痕。刀片不平行会导致离子检测不均匀。刀片存在缺陷会降低观测图像质量（详见讨论部分）。
    2. 使用小型固定爪将狭缝刀片安装到狭缝刀片支架上，该支架由一对通过弹簧连接的122.4 mm铝板组成，结构类似于衣夹。同时将一根锥形铝棒插入 "衣夹"
      注意：狭缝刀片安装在衣夹的旋钮侧（施力点）。当将一根呈削尖铅笔状的锥形铝棒插入衣夹的夹持侧（作用点）时，随着锥形棒插入深度的增加，狭缝宽度也随之增大（参见 图2B）。步骤1.5.2至1.5.4用于构建狭缝，其宽度可在成像测量过程中调节。若无需调节狭缝宽度，可使用金属爪等合适的安装部件，在距离探测器约10 cm的离子束上游位置安装狭缝刀片，随后进入步骤1.5.5。
    3. 将锥形铝棒连接至线性运动真空馈通装置（ICF70尺寸，基于千分尺/波纹管），并将狭缝支架及其底座安装至馈通装置的真空侧平面。
    4. 将上述制作的狭缝装置安装到与探测器轴和离子飞行轴均垂直的ICF70真空接口上。
      注：该位置位于探测器中心上游约10 cm处的离子束路径上。
    5. 将狭缝宽度设为 1 ± 0.1 mm，使用千分尺测量。
      注意：例如，对于50 mm牛顿球体（离子云）使用1 mm狭缝时，对应2%的切片比例，其分辨率高于标准切片技术22狭缝宽度决定切片分辨率；然而，较窄的狭缝会导致信号减弱。
    6. 安装一个矩形（115 mm × 160 mm × 3 mm）不锈钢脉冲反射电极，如 图2.
      注意：脉冲排斥器应与检测器平行，以确保二者之间脉冲电场的均匀性。
    7. 安装一个由微通道板堆栈和磷光屏组成的位敏离子探测器，使其与脉冲反射器平行；遵循标准安装程序14,23.
    8. 在荧光屏背面安装带铜垫圈的法兰式真空观察窗。
  6. 将离子光学部件连接至高压电源，通过电流馈通装置将探测器各部分（脉冲排斥极、微通道板和荧光屏）连接至脉冲高压电源（上升/下降时间约50 ns）。
    注意：应确保所有电缆不会遮挡通过观察窗对磷屏的观测。
  7. 将脉冲阀连接至气体入口（3% N2 氦气中含气；总压3 MPa）通过不锈钢管连接至阀门控制器，并用一对包覆铜线连接。
    注意：两个连接均通过真空馈通装置。
  8. 打开真空泵，将成像探测器室的压力调至低于10-4 Pa，即使在脉冲阀工作时也是如此。
    注意：较高的压力可能导致高压电极和探测器损坏。当压力较高时，需要使用更大的泵或降低阀门的重复频率。利用当前的腔体和脉冲阀，可产生转动能级温度低于6 K的氮分子束。11在此转动能级温度下，99%的分子处于 J ≤ 2 态（state）J 为转动量子数。

2. 泵浦-探测光学装置的构建

注意：在此步骤中，请参见图3以了解后续操作的实施位置和方式。本步骤的目的是利用商用钛宝石激光放大器产生三个共线的飞秒脉冲，用于泵浦-探测实验11。第一个脉冲用于分子取向（线性偏振，中心波长820 nm，峰值强度<30 TW/cm2）；第二个脉冲用于方向控制（为第一个脉冲的延迟复制版本，但其线性偏振方向相对于第一个脉冲的偏振轴倾斜+45°）；第三个脉冲为库仑爆炸成像探测脉冲（圆偏振，407 nm，100 fs，600 TW/cm2）。在整个步骤中，所有商用部件和设备（如偏振检测器和光学平台）均按照制造商的说明或用户手册进行安装和使用。

注意：在整个步骤中，所有光学元件均按照光学实验的标准程序以及光学器件制造商的指南进行安装和使用。所使用的所有转向镜和二向色镜均为介质多层膜反射镜，以避免在光路中多次反射时造成激光功率损失。本文材料清单中列出了部分所用的光学元件和晶体。

  1. 打开飞秒激光器（钛宝石放大器）系统，获得超过1.5 mJ/脉冲的激光输出，脉冲持续时间约35 fs，中心波长为820 nm，重复频率为500 Hz。
  2. 准备探测（成像）脉冲的光路10,11,12.
    1. 安装一块非线性晶体（BBO，I 型，0.2 mm 厚度， 29.2°，用于820 nm光的二次谐波生成）在820 nm光路中以获得二次谐波（>0.2 mJ）的820 nm基频激光输出。利用产生的二次谐波（407 nm光），经二向色镜反射并与820 nm基频光分离后，作为探测脉冲使用。
    2. 构建光路，如蓝色线条所示 图3使用光束转向镜架，调整光束使其穿过第1.4步中安装的两个窗口的中心。
      注意：关键组件包括一个衰减器（由半波片和偏振片组合而成）、用于延迟扫描的电动线性位移台，以及用于偏振调节的波片。
  3. 准备泵浦（转动激发）脉冲的光路24,25,26.
    1. 构建光路，如红线所示 图3，并获得一对时间和偏振可调的飞秒脉冲。
      注意：在步骤2.2.1中，经过二次谐波产生后残余的820 nm脉冲（约1 mJ），由二向色镜引出，用于产生这些泵浦脉冲。每个泵浦脉冲的典型脉冲能量为0.25 mJ。关键组件包括一个衰减器（由半波片和偏振片组合而成）、一个50:50分束器、用于时间延迟调节的手动线性位移台、用于偏振调节的波片，以及用于光斑尺寸优化的望远镜系统。
    2. 通过调节光路中镜架的倾斜角度，使两束泵浦光平行，并使其光束中心穿过第1.4步中安装的两个窗口的中心。
      注意：为验证这一点，使用一种对准工具，即附有坐标纸的铝块。该工具可通过光学平台上的螺纹孔以高度可重复的方式放置在相同位置。选择光学平台上两个成直线排列的螺孔作为平行光路的引导。将对准工具置于所选螺孔之一时，调整光束使其照射到对准工具上的同一点。重复移动对准工具至另一螺孔位置并调整光束，直至在两个对准工具位置下光束均照射到工具上的相同点。由于光学平台上的螺孔具有高精度的直线排列，这些步骤可实现光束的平行对准。
  4. 调节脉冲的偏振态。
    1. 在脉冲进入腔室之前安装一个偏振检测器，使激光脉冲直接照射到检测器的探测面上。
    2. 使用旋转光学支架调节每条光路中波片的角度。获得圆偏振的探测脉冲、垂直偏振的第一泵浦脉冲和线偏振的第二泵浦脉冲；对于第二泵浦脉冲，需倾斜其偏振面。 45° 与第一台泵的不同之处。
      注意：使用偏振检测器时，每个脉冲的偏振态可表现为偏振角依赖的透射强度。例如，为获得圆偏振光，可调节波片角度以得到各向同性的图像。
    3. 从光路中移除偏振检测器。
      注意：第一个泵启动无固定方向的旋转4,9,10在分子瞬时对齐的时刻，施加第二束泵浦光以产生非对称力矩，从而启动单向旋转12,13由于圆偏振的探测脉冲在偏振平面内无角度偏好地电离分子，因此适用于角分布测量。
  5. 找出每个脉冲的时间重叠部分。
    1. 安装一块非线性晶体（BBO，厚度0.2 mm，II型，用于820 nm光的三倍频产生）、一块光学窗口（厚度3 mm，与腔体窗口（1 mm）和聚焦平凸透镜（2 mm）的总厚度相同），以及一个色散棱镜，位置位于脉冲进入腔体之前。
      注意：在泵浦-探测实验中，确定时间零点（泵浦光与探测光脉冲的时间重叠）的标准方法是检测一种非线性响应，该响应仅在泵浦光和探测光脉冲同时与介质相互作用时才会被观察到。在此，407 nm 探测光脉冲与 820 nm 泵浦光脉冲在非线性晶体中的时间重叠会导致产生 267 nm 的光。由于步骤 2.5.1 是在脉冲进入真空腔室（以及聚焦透镜和腔室窗口）之前进行的，因此需要估算光束在真空腔室内的实际时间重叠。为了补偿腔室窗口和聚焦透镜引入的时间延迟，需安装一块 3 mm 的光学窗口。两束泵浦光和一束探测光共同穿过该窗口后进入晶体，随后由棱镜进行色散。在棱镜后放置一张白色纸张，用于检测由 267 nm 第三谐波产生的蓝白色荧光。所有上述部件均安装于光学支架上。
    2. 阻断泵2的管路 图3 使用光束挡板。
    3. 按下显微镜载物台控制器上的移动按钮，扫描电动载物台并找到267 nm的生成位置。
      注意：当泵浦光与探测光脉冲的光程长度在激光脉冲持续时间内相等时，会出现三次谐波信号。该位置对应的时间被定义为零时刻，此时泵浦光和探测光同时作用于分子。
    4. 阻断泵浦1并解除泵浦2的阻断（移除光束倾倒器）。
    5. 扫描 µm安装在泵浦2线路中的基于手动的平台，并找到产生267 nm发射的位置。
    6. 从光路中移除晶体、窗口和棱镜。
      注意：在此阶段，三个脉冲在激光持续时间内暂时重叠于分子束区域。通过在探测光路中扫描电动平移台并监测和绘制267 nm能量变化，可测量装置的时间分辨率。在当前装置中，相关函数的半高全宽约为120 fs。脉冲宽度经过优化以获得二次谐波的最高输出功率。在二次谐波产生后，脉冲经过玻璃透镜、波片、二向色镜、偏振片和腔室窗口，导致啁啾。由于在400 nm波段材料的群延迟色散远大于800 nm波段，因此我们尽量减少探测光路中的透射光学元件。为提高时间分辨率，采用色散管理（包括啁啾镜系统）将有助于改善性能。

3. 测量系统的设置

注意：在此步骤中，所有市售部件和设备（如电源和延迟发生器）均需根据制造商的说明或用户手册进行安装和使用。

  1. 脉冲同步
    1. 使用快速分频器将飞秒振荡器的80.8 MHz输出分频至500 Hz，并使用该分频输出触发数字延迟发生器1和飞秒放大器。
    2. 使用延迟发生器1的一个延迟输出作为脉冲阀的触发信号。
      注意：限制阀门的重复频率以维持可接受的真空条件（例如，低于10-3 Pa）。在本例中，我们将该值设为250 Hz。
    3. 在光束离开腔体后立即安装一个配备400 nm透射滤光片的快速光电二极管，并使用该二极管的输出作为数字延迟发生器2的触发信号。
      注意：探测脉冲用作离子成像电子设备的时间原点。
    4. 使用同轴电缆将三个高压开关连接至数字延迟发生器2。
  2. 打开所有高压电源和开关。
  3. 将电压升至目标值。
    注意：目标电压取决于装置尺寸和所研究的系统。本案例中的典型数值见图1的图注。为获得无畸变图像，需对偏置电压进行精细调节13（参见步骤4.1.7）。电压值的快速上升可能导致电子系统放电或损坏。我们建议日常操作时电压上升速率低于100 V/s，首次在真空中使用时为100 V/300 s。
  4. 成像相机的安装与定位
    1. 在步骤1.5.5中设置的真空观察窗前方的光学支架上安装配备焦距f = 25 mm镜头的数字相机。确保相机轴线与探测器表面垂直。由于观察窗与地面水平垂直，使用水平仪引导将相机底座相对于地面调至水平。
      注意：位置的精细调整将在后续步骤中完成。
    2. 为相机安装冷却风扇，使风从相机背面吹向相机。
    3. 用遮光帘覆盖相机镜头与真空观察窗之间的区域，防止环境光等杂散光进入相机。
    4. 通过USB 3.0端口将相机连接至计算机。
    5. 启动相机控制软件，并在软件的增益控制部分输入最大值，将相机增益调至最大。
    6. 将图像尺寸设置为 通常为1,200 × 750像素。
      注意：尽管更大的图像尺寸可提供更高的分辨率，但USB 3.0端口的数据传输速率限制了可接受的帧率。在当前设置下，可实现超过250 fps的帧率，足以对每次气体脉冲注入（250 Hz）获取一幅图像。
    7. 点击“Grab”按钮开始用相机采集图像。手动调整相机位置，使图像覆盖二维探测器的整个区域。用螺栓固定相机支架。
    8. 通过监控实时采集的图像，调节相机镜头的对焦环，使明亮的离子光斑尺寸达到最小。

4. 测量

注意：此处使用的测量方法结合了已报道的实验流程14,27以及当前的成像装置。在整个步骤中，所有市售部件和设备（如高压电子元件）均需按照制造商的说明或用户手册进行安装和使用。

  1. 寻找信号并优化离子成像的设置
    1. 使用光束吸收器阻断光学系统的泵浦脉冲。
    2. 在离子光学系统的第一个和第二个电极中间，安装一个平凸透镜（f = 120 mm）将探针激光脉冲聚焦至分子束。
    3. 将高压开关（数字延迟发生器输出）的时间设定为氮分子离子（N₂⁺）的预计到达时间2+ 离子，在当前气体条件下可产生最大的信号强度14,27.
      注意：可根据离子光学偏压、飞行距离以及目标离子的质荷比估算到达时间28否则，扫描时间是检测信号的另一种方法。
    4. 在监测离子图像的同时，使用xyz级调整透镜位置和气体脉冲时间（数字延迟发生器输出），并获取最强信号（最亮且最大的图像）。
    5. 改变高压开关的时间以实现N的库仑爆炸2+ 通道14,27.
      注意：由于氮元素的质荷比2+ 比N的小四倍2+，N的到达时间2+ 比N的速度几乎快两倍2+.
    6. 将相机帧率降低至约 20 fps，曝光时间增加至 50 ms。
      注意：在此设置下，相机图像包含12次气体脉冲加载的信号。尽管这会导致部分离子重叠，但我们仍可轻松评估并识别离子分布的大致形状。
    7. 调节离子光学偏压，使观察到的离子分布呈现为无畸变的椭圆。
      注意：在当前设置中，减小第一和第二电极之间的偏压差会导致垂直方向（离子光学轴）伸长29,30第三或更靠后的光学元件用于形状的精细调节。椭圆的畸变会降低从图像重建出的角度分辨率。
  2. 寻找泵浦-探测光束的空间重合
    1. 解除泵浦源1的遮挡，移除光束吸收器，但保持泵浦源2处于遮挡状态。
    2. 调节望远镜，以在分子束中定位泵浦脉冲的束腰。
      注意：不要改变腔室窗口前聚焦透镜的位置，该位置已针对探测脉冲优化。
      注意：此操作可通过在激光束进入真空腔室前，将其反射至常压下的自由空间来实现。通过测量相同入射透镜的焦距，可对望远镜系统进行优化。
    3. 仔细调节泵浦光束在高分辨率镜架1上的光斑位置图2），并通过泵浦-探测重叠观察离子图像中增强的信号。在此之前或之后，设置 t 通过移动延迟台将时间调整至约 4 ps 600 µm 正向。沿泵浦光1的偏振方向寻找强各向异性图像。
      注意：由于在步骤2.5中已大致优化了时间重叠，因此仅需调节空间重叠。如果目标分子的转动常数或波包动力学已知，另一种选择是将探测延迟设置为分子瞬时对准的时刻。例如，该时刻可能出现在 Δt ~1/2B，其中 Δt 是泵浦脉冲与探测脉冲之间的时间差 B 是单位为赫兹（Hz）的转动常数10,11. 对于 N2，约8.3 ps。在此时刻，泵浦-探测光的空间重叠导致离子分布沿泵浦光偏振方向（本实验中为垂直方向）达到最大值，而在垂直轴方向达到最小值。相较于在 Δt 约0。关于变化的 Δt，注意，根据光速，一个 5 µm 载物台的移动对应于约 33.356 fs。
    4. 阻断泵1并解除泵2的阻断。
    5. 重复步骤 4.2.3 用于泵浦 2。通过调节高分辨率反射镜支架 2，找到泵浦 2 的泵浦-探测重叠位置图2）同时保持泵浦光1的光路不变。
      注意：务必确保泵浦光2的偏振方向倾斜，以便在将时间设置为取向时间时，能够沿倾斜方向观察到取向现象。
  3. 简要观察单向旋转动力学
    1. 解除泵1的阻塞。将泵1与泵2之间的时间延迟设置为对齐时间（例如， 4.0 ps 对于一个 N2 病例10,11) 与手动延迟阶段 1 一起使用 图2.
    2. 检查在扫描探针延迟（使用电动或手动平台）时，是否能够从相机图像中识别出单向旋转。
      注意：当上述所有步骤均正确完成后，随着探针延迟的扫描，可观察到图像中最亮的区域沿一个方向平滑旋转。如果无法观察到此类动态图像，请仔细重复步骤 4.1–4.2。光学支架的漂移效应有时会降低光束重叠效果。
      注意：根据光速，一个 5 µm 载物台的移动对应约 33.356 fs。若仅用于观察，上述步骤已足够。若需记录并详细分析运动过程，请继续执行以下步骤。
  4. 设置测量
    1. 将相机帧率提高至250 fps，曝光时间缩短至约4 ms。
      注意：一个相机帧对应一次激光脉冲/气体脉冲加载所获得的一幅图像。
    2. 启动测量程序，该程序可控制仪器、采集图像，并对数据进行分析与可视化。
    3. 点击执行按钮，并在阻断泵浦光束的同时采集 1,000 张图像。
    4. 用椭圆对叠加图像进行数值拟合，并获取椭率 ε 椭圆的中心x0,y0).
      注意：当原始图像因库仑爆炸的多个通道而出现多个椭圆时，应限定兴趣区域，并仅使用其中一个椭圆。
    5. 在阻断泵浦光束的情况下采集100,000张图像，并将获得的图像用作仅探针光的参考。
      注意：仅含探针的参考图像的信噪比会影响角度分布的质量。因此，此步骤需进行相对较长时间的测量（约400秒）。
  5. 拍摄单向分子旋转的电影
    1. 解除泵浦光束的阻断。
    2. 将探针时间设置为负值（t ~-100 fs 即， 在泵浦光束之前。
    3. 启动测量循环，包括以下步骤
      1. 拍摄图像，确定每个明亮离子光斑的质心坐标，并通过分配将图像二值化 "1" 质心坐标中心 "0" 到其他像素27.
      2. 将10,000个相机帧的二值化图像进行累加 "图像数量" 将程序的输入框设置为 10,000。
        注意：为避免饱和效应，将叠加图像的图像深度设置为16位。
      3. 转换相机坐标 (x,y) 从椭圆率转换为极坐标 ε 在步骤 4.4.4 中确定。
        注意：此过程按如下方式完成：在椭圆形感兴趣区域内，所有像素坐标（x,y) 转换为其相对极坐标 Φ 使用以下公式：
        figure-protocol-1
        注意：此步骤相当于在将椭圆转换为圆形时，图像在垂直方向上的扩展。
      4. 将获得的图像转换为极坐标图，其中角度依赖的信号强度以距原点的距离表示。
        注意：角度依赖性概率 P(Φ）的计算公式如下：

        figure-protocol-2
      5. 将极坐标图除以仅探针的参考图进行归一化。
        注意：此步骤用于校准探测脉冲的不完全圆偏振以及成像探测器的非均匀性。
      6. 将探针时间向前移动约 33.356 fs。
        注意：探针时间的 33.356 fs 偏移对应于一个 5 µm 电动线性平台的移动。
    4. 继续循环，直至至少一个旋转复兴周期，1/2B （约8.3 ps，适用于N）2), 在泵2中通过两次后。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

结果

图4A显示了探针照射（库仑爆炸）后弹射出的N2+离子的仅有探针信号的原始图像，该图取自一次探针激光脉冲。每个亮斑对应一个离子。图4B显示了10,000幅二值化原始相机图像的叠加图像。这些图像表明，我们的成像装置能够监测偏振平面内所有取向角度的分子。图4C显示了与图4B相对应的归一化极坐标图。由于未施加转动控制（泵浦）脉冲，分布呈各向同性（图4C显示为一个圆形）。

在图4B中，由于探测器不均匀性，可在椭圆底部观察到一个小的缺陷。此类缺陷始终出现在图像的相同位置，因此可通过使用仅含探针的图像对观测图像进行归一化来补偿（步骤4.5.3.7）。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

讨论

本实验方案能够利用基于狭缝的二维成像装置实时记录分子旋转的动态影像。由于观测到的离子需穿过狭缝，因此步骤1.5是关键步骤之一。狭缝刀片的边缘必须锋利。若狭缝存在微小缺陷（例如0.3 mm的凹痕），则在离子图像中会观察到划痕（图6）。在此情况下，应使用2000目湿式砂纸对狭缝刀片进行抛光处理。

除了图1中所示的独特相机角度外，该方法相较于三维成像探测器具有多项优势，而后者此前是旋转波包成像的唯一解决方案。

首先，在本实验流程中，通过监测原始离子图像即可轻松完成光束准直，如步骤 4.1–4.2 所述。图7展示了泵浦-探测光束重叠优化条件下的原始相机图像。当泵浦光与探测光的重叠状态丢失时，将无法观察到各向异性或增强的图像特征，如图4A所示。这一事实凸显了本方法中步骤 4.1–4.2 的重要性。由于泵浦光和探测光的光斑尺寸约为 10 µm，若不实时监测图像，通常很难找到最佳的重叠条件。对于三维成像探测...

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本工作部分得到了日本科学促进会（JSPS）和日本文部科学省（MEXT）科研费助成金（#26104539、#26620020、#26810011、#15H03766、#15KT0060、#16H00826 和 #16K13927）；柯尼卡美能达科学技术基金会；东京工业大学“研究种子培育”项目；自然科学研究机构（NINS）新型科学倡议中心（CNSI）成像科学项目（#IS261006）；理化学研究所综合医学科学中心（RIKEN-IMS）“极端光子学”联合研究项目；以及光子科学与技术联盟（CPhoST）的资助。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
CMOS 相机Toshiba TELIBU-238M-ES配备 SONY IMX174 传感器
高压开关BehlkeHTS-41-03-GSM
高压开关BehlkeHTS-80-03
数字延时发生器Stanford Research SystemsDG535
数字延时发生器Stanford Research SystemsDG645
微通道板Photonis3075
脉冲阀LAMID LTDEven-Lavie 阀 高重复频率，室温型号
分子束准直器分子科学研究所13C11中心孔径分别为 3 mm 和 1.5 mm，全内角 25 度，长度约 50 mm
光学比较仪NikonV-24B
DPSS 激光器Lighthouse PhotonicsSprout
飞秒钛宝石振荡器KMLabsHalcyon
飞秒钛宝石放大器QuantronixOdin-II HE
电动线性位移台Sigma KokiKST(GS)-100X
手动 X 向位移台Sigma KokiTSD-601S
高分辨率镜架NewportSuprema SX100-F2KN-254
高分辨率镜架LIOP-TEC GmbHSR100-100R-2-HS
偏振态检测仪Paradigm Devices, Inc.O-tool VIS
仪器通信接口National InstrumentsNI-MAX
测量程序图形化开发环境National InstrumentsLabVIEW 2014
激光谱线介质镜CVI/LEOTLM2-400/800-45UNP
激光谱线介质镜Altechna低群延迟色散超快镜
激光谱线介质镜Altechna低群延迟色散超快镜
飞秒偏振器Advanced Thin FilmsPBS-GVD

参考文献

  1. Stapelfeldt, H., Constant, E., Sakai, H., Corkum, P. B. Time-resolved Coulomb explosion imaging: A method to measure structure and dynamics of molecular nuclear wave packets. Phys. Rev. A. 58, 426-433 (1998).
  2. Hishikawa, A., Matsuda, A., Fushitani, M., Takahashi, E. J. Visualizing Recurrently Migrating Hydrogen in Acetylene Dication by Intense Ultrashort Laser Pulses. Phys. Rev. Lett. 99, 258302(2007).
  3. Légaré, F., et al. Laser Coulomb-explosion imaging of small molecules. Phys. Rev. A. 71, 013415(2005).
  4. Stapelfeldt, H., Seideman, T. Colloquium: Aligning molecules with strong laser pulses. Rev. Mod. Phys. 75, 543-557 (2003).
  5. Ohshima, Y., Hasegawa, H. Coherent rotational excitation by intense nonresonant laser fields. Int. Rev. Phys. Chem. 29, 619-663 (2010).
  6. Kitano, K., Hasegawa, H., Ohshima, Y. Ultrafast Angular Momentum Orientation by Linearly Polarized Laser Fields. Phys. Rev. Lett. 103, 223002(2009).
  7. Fleischer, S., Khodorkovsky, Y., Prior, Y., Averbukh, I. S. Controlling the sense of molecular rotation. New J. Phys. 11, 105039(2009).
  8. Korobenko, A., Milner, A. A., Milner, V. Direct Observation, Study, and Control of Molecular Superrotors. Phys. Rev. Lett. 112, 113004(2014).
  9. Rosca-Pruna, F., Vrakking, M. J. J. Revival structures in picosecond laser-induced alignment of I2 molecules. I. Experimental results. J. Chem. Phys. 116, 6567-6578 (2002).
  10. Dooley, P. W., et al. Direct imaging of rotational wave-packet dynamics of diatomic molecules. Phys. Rev. A. 68, 023406(2003).
  11. Mizuse, K., Kitano, K., Hasegawa, H., Ohshima, Y. Quantum unidirectional rotation directly imaged with molecules. Sci. Adv. 1, 1400185(2015).
  12. Lin, K., et al. Visualizing molecular unidirectional rotation. Phys. Rev. A. 92, 013410(2015).
  13. Korobenko, A., Hepburn, J. W., Milner, V. Observation of nondispersing classical-like molecular rotation. Phys. Chem. Chem. Phys. 17, 951-956 (2015).
  14. Whitaker, B. J. Imaging in Molecular Dynamics. , Cambridge University Press. (2003).
  15. Ullrich, J., et al. Recoil-ion and electron momentum spectroscopy: reaction-microscopes. Rep. Prog. Phys. 66, 1463(2003).
  16. Lee, S. K., et al. Coincidence ion imaging with a fast frame camera. Rev Sci Instrum. 85, 123303(2014).
  17. Lee, S. K., et al. Communication: Time- and space-sliced velocity map electron imaging. J. Chem. Phys. 141, 221101(2014).
  18. John, J. J., et al. PImMS, a fast event-triggered monolithic pixel detector with storage of multiple timestamps. Journal of Instrumentation. 7, 8001(2012).
  19. Nomerotski, A., et al. Pixel Imaging Mass Spectrometry with fast and intelligent Pixel detectors. Journal of Instrumentation. 5, 07007(2010).
  20. Luria, K., Christen, W., Even, U. Generation and Propagation of Intense Supersonic Beams. J. Phys. Chem. A. 115, 7362-7367 (2011).
  21. Eppink, A. T. J. B., Parker, D. H. Velocity map imaging of ions and electrons using electrostatic lenses: Application in photoelectron and photofragment ion imaging of molecular oxygen. Rev. Sci. Instrum. 68, 3477-3484 (1997).
  22. Gebhardt, C. R., Rakitzis, T. P., Samartzis, P. C., Ladopoulos, V., Kitsopoulos, T. N. Slice imaging: A new approach to ion imaging and velocity mapping. Rev. Sci. Instrum. 72, 3848(2001).
  23. Stöhr, J. NEXAFS Spectroscopy. , Springer. 132(1992).
  24. Siders, C. W., Siders, J. L. W., Taylor, A. J., Park, S. -G., Weiner, A. M. Efficient High-Energy Pulse-Train Generation Using a 2 n-Pulse Michelson Interferometer. Appl. Opt. 37, 5302-5305 (1998).
  25. Pitzer, M., et al. Direct Determination of Absolute Molecular Stereochemistry in Gas Phase by Coulomb Explosion Imaging. Science. 341, 1096-1100 (2013).
  26. Rakitzis, T. P., Samartzis, P. C., Kitsopoulos, T. N. Observing the symmetry breaking in the angular distributions of oriented photofragments using velocity mapping. J. Chem. Phys. 111, 10415(1999).
  27. Chang, B. -Y., Hoetzlein, R. C., Mueller, J. A., Geiser, J. D., Houston, P. L. Improved two-dimensional product imaging: The real-time ion-counting method. Rev. Sci. Instrum. 69, 1665(1998).
  28. Wiley, W. C., McLaren, I. H. Time-of-Flight Mass Spectrometer with Improved Resolution. Rev. Sci. Instrum. 26, 1150(1955).
  29. Townsend, D., Minitti, M. P., Suits, A. G. Direct current slice imaging. Rev. Sci. Instrum. 74, 2530(2003).
  30. Wu, G., et al. A new crossed molecular beam apparatus using time-sliced ion velocity imaging technique. Rev. Sci. Instrum. 79, 094104(2008).
  31. Treacy, E. Optical pulse compression with diffraction gratings. Quantum Electronics, IEEE Journal of. 5, 454-458 (1969).
  32. Dörner, R., et al. Cold Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy: a 'momentum microscope' to view atomic collision dynamics. Physics Reports. 330, 95-192 (2000).
  33. Herwig, P., et al. Imaging the Absolute Configuration of a Chiral Epoxide in the Gas Phase. Science. 342, 1084-1086 (2013).
  34. Suzuki, Y. -I., Suzuki, T. Linear and circular dichroism in photoelectron angular distributions caused by electron correlation. Phys. Rev. A. 91, 053413(2015).

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

重印与许可

探索更多文章

激光驱动成像库仑爆炸成像泵浦-探测装置飞秒激光脉冲圆偏振探测光离子光学元件机械狭缝选择二维探测器成像实时快照
直接成像激光驱动的超快分子转动
联系我们
向图书馆推荐

隐私政策

使用条款

政策

版权所有 © 2026 MyJoVE Corporation。保留所有权利。