一种用于自由电子激光器的飞秒近红外/紫外-极紫外泵浦-探测实验方案

该方法有助于回答物理学和化学中的关键问题，例如在化学反应中哪些化学键首先断裂，或者原子和电子如何重新排列。该技术的主要优势在于，自由电子激光器（FEL）产生的极紫外辐射可作为位点特异性探针，因为它仅使分子内的特定原子发生电离。掌握自由电子激光器与光学激光束在空间和时间上的重叠技术，通过可视化演示学习尤为有益，因为该过程需使用特定的诊断方法，且相关效应可能十分微弱。

本次实验操作由 DESY 位于 FLASH 自由电子激光装置的物理学家 Demitrios Rompotis 演示。首先，确认离子探测器、电子探测器以及离子谱仪电极的高压电源均已关闭。使用仪器软件关闭自由电子激光和光学激光的快门。

调节光束线上安装的滤光片和衰减器，使自由电子激光脉冲能量和光学激光功率的透过率降至1%以下。随后将掺铈钇铝石榴石（Cerium YAG）光束观察屏插入相互作用区域。打开自由电子激光快门，通过CCD相机观察屏幕。

如果屏幕上无法检测到光束光斑，请略微增加光束强度。一旦确定光束光斑位置，应在相机数据采集软件中将自由电子激光（FEL）光束位置标记为感兴趣区域。然后打开光学激光快门，并关闭自由电子激光（FEL）快门。

调节导向镜，使光学激光束与标记的自由电子激光（FEL）光束位置对准。重复此光束遮挡过程，以优化空间重叠并确认重叠的稳定性。光束对准后，移除光束观察屏。

打开探测器和光谱仪电极电源。确保将一个连接到快速示波器的快速光电二极管垂直安装于自由电子激光（FEL）光束方向，并配备可移动网格，以将少量散射光子引导至该二极管。将自由电子激光脉冲能量和光学激光功率衰减至1%透射。

然后关闭自由电子激光器和光学激光器的快门。将散射网插入光束中。调整网的位置、自由电子激光器的脉冲能量以及光学激光器的功率，使每个独立光束产生清晰的信号，并且两个信号的高度相同。

然后关闭光学激光快门。将快速示波器设置为使用可选的最精细时间基准，并对单次扫描采集约100次平均数据。单独记录并保存自由电子激光束的参考信号迹线。

然后关闭自由电子激光快门，打开光学激光快门。将光学激光的信号迹线与自由电子激光的参考迹线进行比较。随后调节光学激光脉冲的到达时间，使光学激光信号的起始点与自由电子激光信号的起始点精确对齐。

重复进行光束遮挡和信号起始时间的比较，以确认自由电子激光（FEL）和光学激光脉冲精确对准。记录FEL与光学激光脉冲重叠的时刻，作为T0的初始估计值。为开始精细调节T0，将FEL和光学激光衰减至足够程度，以避免在向系统中引入氙气时损坏离子和电子探测器。确保质谱仪处于飞行时间模式。

然后通过气体喷射装置或将氙气通过针阀通入真空腔室的方式，将氙气引入腔室。若采用后一种方法，需使腔室压力达到1×10⁻⁷至1×10⁻⁶毫巴之间。记录氙离子的飞行时间谱。

然后关闭自由电子激光快门，并调节自由电子激光脉冲能量，使氙二价正离子和氙三价正离子成为飞行时间谱中最强的氙离子态，同时尽可能抑制更高价态的氙离子。随后关闭自由电子激光快门，打开光学激光快门。调节光学激光功率，使激光脉冲主要产生氙一价正离子，仅有少量氙二价正离子生成。

调整完成后打开自由电子激光快门。根据先前确定的粗略T0值，设置自由电子激光和光学激光脉冲的时序，使光学激光脉冲比自由电子激光脉冲提前约200皮秒到达。采集氙离子飞行时间谱，并根据峰面积确定二价氙离子与三价氙离子的比值。

然后调节激光，使光学激光脉冲在自由电子激光（FEL）脉冲到达约200皮秒后到达。采集另一组飞行时间谱，并确定二价氙离子（xenon two plus）与三价氙离子（xenon three plus）的比值。验证该谱图中的三价氙离子信号明显强于前一谱图中的信号。

有时由于空间重叠不充分，氙信号的激光早与激光晚之间的差异非常小。在这种情况下，应重复空间重叠的步骤，以使两个信号之间产生较大的差异。将激光时序设置为之前两个值的中间值，并采集另一条飞行时间谱。

通过比较二价氙离子与三价氙离子的比值，判断光学激光脉冲是在自由电子激光（FEL）脉冲之前还是之后到达。如果光学激光脉冲早于FEL脉冲到达，则将时序设置为当前值与光学激光脉冲比FEL脉冲晚200皮秒到达时的值之间的中间值。再次采集飞行时间谱，并分析二价氙离子与三价氙离子的比值。

继续调整激光脉冲时序，直到将 T0 逼近至优于 500 飞秒的精度。然后在 T0 近似位置周围正负一皮秒范围内，以不超过 50 飞秒的步长设置延迟扫描。采集每一步的飞行时间谱，并确定氙二价离子与氙三价离子的比值。

将这些比值相对于延迟时间作图，拟合出一个阶跃函数，并计算该阶跃函数的中心位置，以确定 T0 的精确时间点。可利用氙离子飞行时间谱学来判断波长为 800 纳米的近红外脉冲是早于还是晚于光子能量至少为 67.5 电子伏特的自由电子激光（FEL）脉冲到达氙气靶。当近红外脉冲晚于 FEL 脉冲到达时，会引发激发态亚稳态的氙二价离子（Xenon two plus）发生后续电离，从而增加氙三价离子（xenon three plus）的产额。通过绘制氙二价离子与氙三价离子的产额比值随延迟时间的变化关系，可得到一个阶跃函数，从中即可确定 T0。

碘离子动量图像也被用于在至少57电子伏特的光子能量下确定T0。当紫外脉冲早于自由电子激光脉冲到达时，低能成分表现为一个尖峰。T0是通过绘制尖峰离子产额随延迟时间变化的曲线提取得到的。

利用束团到达时间监测器记录的逐发数据，校正了自由电子激光脉冲相对于光学激光脉冲在到达时间上的抖动。这显著提升了数据质量，尤其是在时间分辨率方面。一旦掌握该技术，建立光学激光脉冲与自由电子激光之间的时间和空间重叠通常需要两到三个小时，而后续的泵浦-探测测量则通常需要数天时间。

尽管该方法最初是为气相中的原子和分子开发的，但也可应用于其他样品，如纳米颗粒、液体和固体。请注意，使用高功率飞秒激光器可能具有极高的危险性，必须接受专门的安全培训。

使用高功率激光器时，务必佩戴防护用激光安全护目镜。