Name: 用自由电子激光器进行飞秒近红外/紫外 XUV 泵-探针实验的实验协议 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-10-23T12:30:00.000+00:00
Duration: 9 min 49 s
Description: 学习利用自由电子激光器与飞秒光学激光进行泵-探针实验，研究气相分子的超快光化学反应动力学。本方法通过精确调控时空重叠实现位点特异性探测，为理解化学键断裂顺序及原子重排机制提供关键技术支持。

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作者感谢 Evgeny Savelyev、Cédric Bomme、Nora Schirmel、Harald Redlin、Stefan Düsterer、Erland Müller、Hauke Höppner、Sven Toleikis、Jost Müller、Marie Kristin Czwalinna、Rolf Treusch、Thomas Kierspel、Terence Mullins、Sebastian Trippel、Joss Wiese、Jochen Küpper、Felix Brauβe、Faruk Krecinic、Arnaud Rouzée、Piotr Rudawski、Per Johnsson、Kasra Amini、Alexandra Lauer、Michael Burt、Mark Brouard、Lauge Christensen、Jan Thøgersen、Henrik Stapelfeldt、Nora Berrah、Maria Müller、Anatoli Ulmer、Simone Techert、&#160;Artem Rudenko、Daniela Rupp 和 Melanie Schnell，他们参与了 FLASH 实验机时，本文展示和讨论的特定数据即在此期间获得，并对数据分析与解释作出了贡献。同时衷心感谢 FLASH 设施的科研与技术团队，正是他们的工作使本实验成为可能。D.R. 感谢美国能源部科学办公室基础能源科学办公室化学科学、地球科学与生物科学部门的支持，项目编号 DE-FG02-86ER13491。在 FLASH 进行的实验还得到了亥姆霍兹联合会通过亥姆霍兹青年研究员计划的支持。我们感谢马克斯·普朗克学会为在 CFEL 的马克斯·普朗克先进研究小组框架内资助 CAMP 末端站的开发和初期运行，并将该设备提供用于 CAMP@FLASH。CAMP@FLASH 的安装部分由联邦教育与研究部（BMBF）通过 FSP-302 项目资助，资助编号分别为 05K10KT2、05K13KT2、05K16KT3 和 05K10KTB。

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<li>Savelyev, E., et al. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/aa652d">Jitter-correction for IR/UV-XUV pump-probe experiments at the FLASH Free-Electron Laser.</a> New J. Phys. 19, 043009(2017).</li>
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<li>Schulz, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Femtosecond+all-optical+synchronization+of+an+X-ray+free-electron+laser%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Commun%22%5BJournal%5D)">Femtosecond all-optical synchronization of an X-ray free-electron laser.</a> Nat. Commun. 6, 5938(2015).</li>
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<li>Löhl, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electron+Bunch+Timing+with+Femtosecond+Precision+in+a+Superconducting+Free-Electron+Laser%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Electron Bunch Timing with Femtosecond Precision in a Superconducting Free-Electron Laser.</a> Phys. Rev. Lett. 104, 144801(2010).</li>
<li>Czwalinna, M. K. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22%28+%29%22">Dissertation (PhD Thesis)</a>. , Universität Hamburg. (2012).</li>
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<li>Meyer, M., et al. <a target="_blank" href="http://photon-science.desy.de/research/research_highlights/archive/two_color_photoionization_in_xuv_free_electron_and_visible_laser_fields/index_eng.html">Two-color photoionization in XUV free-electron and visible laser fields.</a> Phys. Rev. A. 74, 011401(2006).</li>
<li>Radcliffe, P., et al. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168900207019699">An experiment for two-color photoionization using high intensity extreme-UV free electron and near-IR laser pulses.</a> Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 583, 516-525 (2007).</li>
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</ol>

作者声明无竞争利益。

由于实验装置的复杂性，使用自由电子激光器进行泵浦-探测实验需要具备高水平的专业知识和丰富经验，并且必须在实验前和实验过程中，与负责操作自由电子激光器、光学激光器以及终端站的科研团队进行非常细致的准备和深入讨论。在实际开展实验时，必须精确确定空间和时间上的重叠，并密切监控本方案中所述的所有诊断系统和定时系统，这是实验成功的关键。
需要注意的是，此处描述的大多数方法仅适用于自由电子激光器（FEL）的特定光子能量范围，因为它们依赖于强烈随光子能量变化的效应。例如，利用散射光照射光电二极管来确定&#34;粗略&#34;时间重叠的方法，在光子能量不超过约 250 eV 时效果良好。在更高光子能量下，FEL 脉冲产生的信号变得非常微弱，难以检测。在这种情况下，发现使用一端敞开的 SMA 电缆（可被移至距离甚至小于一毫米处，或直接插入 FEL 光束中）可产生更可靠的信号，用于执行方案中步骤 3.1）所述的操作。类似地，用于确定步骤 3.2）中所述的&#34;精细&#34;时间同步的最佳靶材也强烈依赖于光子能量。对于极紫外（XUV）和软 X 射线区域、光子能量高于 65.7 eV 和约 57 eV（分别对应于氙气和 CH3I 的 4d 电离阈值）的 FEL 脉冲，Xe 和 CH3I 被发现适用于步骤 3.2 中描述的程序。使用 CH3I 的方法在光子能量高达 2 keV 时仍有效（更高能量尚未测试），而使用 Xe 的方法已验证至 250 eV。对于低于 50 eV 的光子能量，可利用 H2 中的键软化过程19；在高于 400 eV 的光子能量下，N2 中的类似过程也同样适用20。其他替代方法包括固体样品反射率的变化25,26,30 或光电子能谱中边带的形成31,32。
为了获得最佳的时间分辨率，在数据分析过程中有必要按照步骤5所述，对实验数据进行逐发排序，以补偿自由电子激光（FEL）与光学激光脉冲之间的到达时间抖动。然而，泵浦-探测数据的质量，尤其是可实现的时间分辨率，在很大程度上取决于实验期间FEL的运行性能，以及当时可提供的光学激光脉冲和FEL脉冲的脉宽。对于此处展示的示例数据，紫外脉冲的脉宽估计为150 fs（FWHM），FEL脉冲的脉宽估计为120 fs（FWHM）。尽管在抖动校正前，总的到达时间抖动（rms）约为90 fs，通过本文所述方法可将其降低至约27 fs（rms）12，但由于FEL和光学激光的脉冲持续时间相对较长，实验整体时间分辨率的提升较为有限。然而，这两者均可显著缩短，在此情况下，抖动校正方案的影响将更为显著。例如，目前在FLASH正在安装一台新的光学激光器，其脉冲持续时间（在近红外波段）将低于15 fs，同时也在测试新的FEL运行模式，可产生脉宽仅为数飞秒甚至更短的FEL脉冲。这些进展将很快实现FEL与光学激光脉冲相结合的泵浦-探测实验，整体时间分辨率仅达数十飞秒量级。
尽管自由电子激光器（FELs）产生的短而强的极紫外（XUV）和X射线脉冲日益可得，推动了大量近红外/紫外（NIR/UV）-XUV泵浦-探测实验（如本文所述）的发展，但类似的泵浦-探测实验也可利用高次谐波产生（HHG）光源来实现。33,34,35基于自由电子激光（FEL）的实验主要局限通常在于可达到的时间分辨率，其根本限制因素是自由电子激光与光学激光之间的同步精度，或泵浦光与探测光脉冲之间相对时序的测量精度。而对于基于高次谐波产生（HHG）的泵浦-探测实验，情况则不同：极端紫外（XUV）光脉冲与近红外（NIR）光脉冲在本质上具有亚周期精度的内在同步性，因此通常能够实现高得多的时间分辨率。另一方面，FEL实验的主要优势在于其光子通量高出数个数量级，从而能够开展某些实验， 例如在稀疏靶材上进行实验，尤其是软X射线波段的高光子能量区域，使用当前的高次谐波产生（HHG）光源尚不可行。因此，在可预见的未来，自由电子激光（FEL）与高次谐波产生（HHG）的泵浦-探测实验仍将互为补充，在极紫外（XUV）区域存在一定重叠，两者均可用于类似的科学研究。这些实验的部分操作步骤也具有相似性，因此本文所述的一些方法同样可应用于基于高次谐波产生（HHG）的泵浦-探测实验。

自由电子激光器（FELs）提供的短而强的极紫外（XUV）和X射线脉冲的可获得性1,2 为利用内壳层光吸收过程的位点特异性和元素特异性开展飞秒泵浦-探测实验开辟了新的机遇3,4,5,6此类实验可用于， 例如，以研究液体中的分子动力学和电荷转移过程7 和气相分子8,9,10,11,12，以及用于催化反应和超快表面化学的实时观测13,14 时间分辨率达到100飞秒或更高。如果泵浦-探测实验通过将一台同步的光学飞秒激光器与自由电子激光器（FEL）结合进行（上述所有示例均为此情况），则必须对光学激光与FEL脉冲之间的固有到达时间抖动进行逐发测量，并在数据分析中予以校正，以实现尽可能高的时间分辨率。
在一项大型合作研究中，近期已开展多项将光学激光与自由电子激光相结合的泵浦-探测实验9,10,11,12，这些实验既在FLASH极紫外自由电子激光装置15,16进行，也在LCLS X射线自由电子激光装置17开展，并已建立了一套执行和分析此类实验的实验方案，下文将对此进行介绍。本文以在FLASH自由电子激光装置上开展的一项典型实验为例，演示该方法的应用，该实验利用速度映射离子成像技术研究气相分子中的超快光化学过程11,12。然而，大多数策略同样适用于采用其他样品或不同实验技术的类似泵浦-探测实验，并且也可适配于其他自由电子激光装置。尽管本文所述的部分独立步骤或其变体此前已在文献中有所讨论18,19,20，但本方案对关键步骤提供了全面的描述，其中包含一些利用了同步技术和时间诊断方面最新技术进步的内容，这些进步显著提升了泵浦-探测实验的稳定性和时间分辨率12,21。
以下实验方案假设使用一个泵浦-探测终端站，例如 FLASH 上的 CAMP 仪器22，配备离子飞行时间、离子动量成像或速度映射成像（VMI）离子谱仪；一个常流或超音速气体喷嘴；以及一台与自由电子激光束同步的近红外（NIR）或紫外（UV）飞秒激光器，其脉冲可与自由电子激光束共线或近共线重叠，如图1所示示意图所示。此外，还需要配备适当的诊断工具套件，例如在相互作用区域中可移除的光束观察屏（例如涂有 Ce:YAG 粉末的挡板或薄 Ce:YAG 晶体）、对自由电子激光和激光脉冲均敏感的快速光电二极管，以及束团到达时间监测器（BAM）23,24 或&#34;定时工具&#34;25,26,27，这些设备通常已集成在泵浦-探测终端站中，或可在实验前申请由自由电子激光设施提供。最后，逐发次抖动校正的前提是实验数据能够以逐发次方式记录并获取，并通过唯一的&#34;束团ID&#34;或其他等效方案与束团到达时间抖动的逐发次测量结果相关联。
在FLASH装置中，对泵浦-探测实验至关重要的特定系统包括：
<ul>
	<li>泵浦-探测激光器与主激光振荡器之间的主动全光学反馈与稳定系统，包括一个平衡光学互相关器，用于将泵浦-探测激光器振荡器输出稳定至主激光振荡器，以及一个互相关器（&#34;漂移相关器&#34;) 以校正激光放大器相对于振荡器的缓慢漂移21.</li>
	<li>用于测量电子束团相对于主激光振荡器在加速器不同位置处逐发间到达时间变化的束团到达时间监测器（BAMs）23,24它们可用于主动反馈回路，以稳定电子束团相对于主激光振荡器的时间，从而减少到达时间的缓慢漂移。此外，靠近实验区域的BAM（BAM 4DBC3）可用于数据分析中的逐发抖动校正，具体步骤详见实验方案的5.1步。</li>
	<li>泵浦-探测激光条纹相机，用于测量泵浦-探测激光输出与电子束团在加速器末端产生并在进入束流 dump 之前发出的偶极辐射之间的相对时间关系28.</li>
	<li>成像聚焦相机，其成像的 &#34;虚拟&#34; 利用聚焦透镜后最后一个转向镜泄漏的激光束部分，对光学激光的缓慢空间漂移进行寄生监测，以实现激光聚焦。</li>
</ul>
其他自由电子激光装置也配备了类似的系统，这些系统对于开展可靠的泵浦-探测实验至关重要。

<table><tbody><tr><td>氙</td><td>Linde</td><td></td><td>小型气罐</td></tr><tr><td>CH&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt;I（碘甲烷）</td><td>Sigma Aldrich</td><td>67692</td><td>或其他合适的样品</td></tr><tr><td>FEL 泵浦-探测终端站</td><td>CAMP@FLASH 或 LAMP@LCLS</td><td></td><td>或其他自由电子激光设施上的类似终端站</td></tr><tr><td>快速极紫外光电二极管</td><td>Opto Diode Corp.</td><td>AXUVHS11</td><td></td></tr><tr><td>偏置T型接头</td><td>Tektronix</td><td>PSPL5575A</td><td></td></tr><tr><td>快速（&amp;ge;2 GHz）示波器</td><td>LeCroy WaveMaster</td><td>8600A</td><td></td></tr></tbody></table>

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

An Experimental Protocol for Femtosecond NIR/UV - XUV Pump-Probe Experiments with Free-Electron Lasers

本方案描述了结合飞秒光学激光器与自由电子激光器进行飞秒泵浦-探测实验及数据分析的关键步骤。内容包括实验过程中实现光学激光脉冲与自由电子激光脉冲在空间和时间上重叠的方法，以及数据分析中的重要环节，例如对到达时间抖动进行校正，这是获得具有最佳时间分辨率的高质量泵浦-探测数据集所必需的。这些方法以在FLASH（汉堡自由电子激光器，Free-electron LASer Hamburg）自由电子激光装置上开展的一项典型实验为例进行演示，该实验利用速度映射离子成像技术研究气相分子中的超快光化学过程。然而，大多数策略同样适用于采用其他样品或其它实验技术的类似泵浦-探测实验。

如果自由电子激光（FEL）脉冲与光学激光脉冲在离子能谱仪的相互作用区域实现空间重叠，则需确定其时间重叠， 即延迟值 T0，通过改变自由电子激光（FEL）与近红外（NIR）脉冲之间的延迟时间，并分析Xe的比值，可确定FEL脉冲与激光脉冲精确同时到达的时刻2+ 至 Xe3+ 离子产率随延迟时间的变化关系，如上文第3.2.1节所述。当近红外脉冲到达时 之后 FEL 脉冲（其光子能量需达到 67.5 eV 或更高）、Xe3+ 由于激发态、亚稳态 Xe 的后续电离，离子产率增加2+ 在Xe(4)之后的俄歇衰变过程中产生的离子d内壳层电离18，如图所示 图2. 绘制 Xe 的比值2+ 至 Xe3+ 离子产率随延迟时间的变化呈现为阶跃函数，可通过拟合该函数以提取精确值 T0.
通过改变自由电子激光（FEL）与激光脉冲之间的延迟时间，并分析CH3I电离过程中产生的高电荷态碘离子（如I3+或I4+）的离子飞行时间谱或离子动量图像，可以获得类似的阶跃函数，如上文步骤3.2.2中所述。在这种情况下，低能成分将在飞行时间谱中高电荷态碘离子峰的中心处表现为一个额外的峰，或在相应的动量图像中心表现为一个明亮的斑点，如图3所示。当CH3I分子首先被激光脉冲解离，随后其离子碎片被FEL脉冲进一步电离时，便会生成这些低能离子9,10。只要FEL光子能量高于57 eV（即CH3I中碘4d内壳层电离阈值），该方法即可用于采用近红外（NIR）或紫外（UV）脉冲的泵浦-探测实验。
为了校正自由电子激光脉冲相对于激光脉冲到达时间的抖动，可利用束团到达时间监测器（BAM）逐发记录的数据（如图4所示），在事后分析中对记录的泵浦-探测数据进行分选，具体方法如上文第5节所述。这种方法通常可显著提高泵浦-探测数据的时间分辨率和整体质量，如图4所示，并在Savelyev et al. 201712中进行了更详细的说明。
<img alt="图1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57055/57055fig1.jpg" /> 
图1：实验装置示意图。 气相分子紫外泵浦-极紫外探针实验的装置示意图。紫外光（266 nm）激光束由800 nm的钛宝石（Ti:Sa）激光经三倍频产生，使用β-硼酸钡（BBO）晶体实现，并通过棱镜压缩器进行脉冲压缩。该紫外光束通过打孔反射镜与极紫外自由电子激光（XUV FEL）光束同轴重叠，并在双侧速度图成像谱仪中心聚焦于超音速气体束内22,29。离子和电子的动量分布由谱仪两端相对设置的微通道板/荧光屏组件探测，并通过CCD相机记录。 <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57055/57055fig1large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="图2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57055/57055fig2.jpg" /> 
图2：Xe离子产额的延迟依赖性。 在光子能量为83 eV、近红外（NIR）激光脉冲分别比自由电子激光（FEL）脉冲早1 μs（上方，黑色曲线）和晚1 μs（下方，红色曲线）到达时测得的Xe离子飞行时间谱（由快速数字化仪记录的去耦合MCP信号）。Xe2+ 与 Xe3+ 的比例变化清晰可见。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57055/57055fig2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="图3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57055/57055fig3.jpg" /> 
图3：碘离子产率和动量的延迟依赖性。（A） 在727 eV光子能量下记录的CH3I离子飞行时间谱中I4+峰的放大图，其中紫外激光脉冲在自由电子激光（FEL）脉冲之前（红线）和之后（黑线）到达。蓝线和绿线分别为仅FEL脉冲和仅紫外激光脉冲的飞行时间谱。该图改编自Boll et al. 201610。（B） 在107 eV光子能量下，紫外激光脉冲早于FEL脉冲到达时，CH3I产生的I3+离子的动量图像。（C） 与（B）相同，但紫外脉冲在FEL脉冲之后到达。（B）和（C）中的颜色标度表示以任意单位显示的离子产率。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57055/57055fig3large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="图4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57055/57055fig4.jpg" /> 
图4：自由电子激光脉冲相对于光学激光脉冲的相对到达时间抖动。（A） 在一次典型延迟扫描期间记录的所有自由电子激光脉冲的逐发束团到达时间监测器（BAM）数据。参考值BAM0设定为此次扫描的平均BAM值。（B） 在二氟碘苯的紫外-极紫外泵浦-探测实验中产生的低动能I3+离子产额，尚未校正逐发到达时间抖动。红线表示对实验数据进行累积分布函数（高斯误差函数）的最小二乘拟合结果。拟合参数σ反映了泵浦-探测实验的总时间分辨率。（C） 与（B）相同，但利用BAM数据将单发图像重新分配至新的延迟区间。误差棒表示一个标准差。该图改编自Savelyev et al. 201712。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57055/57055fig4large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>

本方案描述了利用飞秒光学激光器与自由电子激光器相结合，开展和分析泵浦-探测实验的关键步骤，以研究气相分子中的超快光化学反应。

本方案描述了结合飞秒光学激光器与……进行飞秒泵浦-探测实验及其数据分析的关键步骤。

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。

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用自由电子激光器进行飞秒近红外/紫外 XUV 泵-探针实验的实验协议

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