Name: Direct Imaging von lasergetriebenen Ultrakurz Molecular Rotation (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-02-04T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 52 s
Description: Erfahren Sie hochauflösende Echtzeitbildgebung ultrafaster Molekülrotation mit Coulomb-Explosions-Imaging. Diese Methode verbindet Quantenbewegung mit klassischer Mechanik und eröffnet neue Einblicke in molekulare Dynamik.

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Diese Arbeit wurde teilweise durch Zuschüsse von KAKENHI von der Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) und dem Ministerium für Bildung, Kultur, Sport, Wissenschaft und Technologie (MEXT) Japan (#26104539, #26620020, #26810011, #15H03766, #15KT0060, #16H00826 und #16K13927), der Konica Minolta Science and Technology Foundation, dem "Planting Seeds for Research"-Programm von TokyoTech, dem Imaging Science Project des Center for Novel Science Initiatives (CNSI) an der TokyoTech unterstützt. die Nationalen Institute für Naturwissenschaften (NINS) (#IS261006); das gemeinsame RIKEN-IMS-Programm "Extreme Photonics" und das Consortium for Photon Science and Technology (CPhoST).

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</ol>

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Das vorliegende Verfahren ermöglicht es uns, eine Echtzeit-Film der molekularen Rotation mit einem Schlitz-basierte 2D-Imaging-Setup zu erfassen. Da die beobachteten Ionen durch den Schlitz passieren, Schritt 1.5 ist einer der entscheidenden Schritte. Die Ränder der Schlitz Messer müssen scharf sein. Wenn es einen kleinen Defekt, wie beispielsweise ein 0,3 mm Loch in dem Schlitz wird ein Kratzer in der Ionenbild (Abbildung 6) beobachtet. In einem solchen Fall sollte die Spaltklinge mit 2.000-Körnung wet...

Für ein tieferes Verständnis und eine bessere Nutzung der dynamischen Natur von Molekülen, ist es wichtig, klar zu molekularen Bewegungen von Interesse zu visualisieren. Zeitaufgelöste Coulomb Explosion Imaging ist eine der leistungsfähigen Ansätze dieses Ziel 1, 3 2, zu erreichen. In diesem Ansatz werden die Molekulardynamik von Interesse durch eine Pumpe ultrakurzen Laserfeld initiiert und werden dann durch eine zeitverzögerte Abtastimpuls sondiert. Bei der Sonde Bestrahlung werden Moleküle mehrfach ionisiert und in Fragmentionen aufgrund der Coulomb-Abstoßung gebrochen. Die räumliche Verteilung der ausgestoßenen Ionen ist ein Maß für die molekulare Struktur und die räumliche Orientierung an der Sondenbestrahlung. Eine Folge von Mess Abtasten der Pump-Probe-Verzögerungszeit führt zur Schaffung eines molekularen Films. Es ist bemerkenswert, dass für den einfachsten Fall - zweiatomigen Molekülen - die Winkelverteilung der ausgestoßenen Ionendirekt spiegelt die Molekülachse Verteilung (dh die quadriert Drehwellenfunktion). Im Hinblick auf den Pumpvorgang, die jüngsten Fortschritte bei der kohärenten Kontrolle der Molekularbewegung mit ultrakurzen Laserfeldern hat zur Schaffung geführt von stark kontrollierten Drehwellenpakete 4, 5. Weiterhin kann die Drehrichtung aktiv durch die Verwendung eines polarisationsgesteuerten Laserfeld 6, 7, 8 gesteuert werden. Es ist daher zu erwarten, dass ein detailliertes Bild der molekularen Rotation, einschließlich Wellen Naturen, sichtbar gemacht werden konnte , wenn die Coulomb - Explosion Abbildungstechnik mit einer solchen Pumpvorgang 9 kombiniert wird, 10, 11, 12, 13. Allerdings haben wir einigemal begegnen experimentellen Schwierigkeiten mit den bestehenden bildgebenden Verfahren verbunden sind, wie unten erwähnt. Der Zweck dieses Papiers ist es, einen neuen Weg zur Überwindung dieser Schwierigkeiten zu präsentieren und einen qualitativ hochwertigen Film von molekularen Drehwellenpaketen zu schaffen. Die erste experimentelle Film der molekularen Rotation mit dem vorliegenden Verfahren genommen, zusammen mit ihrer physischen Auswirkungen wurden in unseren früheren Papier 11 dargestellt. Der Hintergrund der Entwicklung, die detaillierten theoretischen Aspekt der vorliegenden Bildgebungstechnik, und ein Vergleich mit anderen Techniken wird in einer der nächsten Papier gegeben werden. Hier werden wir in erster Linie konzentrieren sich auf die praktischen und technischen Aspekte des Verfahrens, einschließlich der Kombination der typischen Pump-Probe-optischen Aufbau und die neue Bildgebungsgerät. Wie in der früheren Arbeit wird das Zielsystem unidirektional rotierenden Stickstoffmoleküle 11. Die wichtigsten experimentellen Schwierigkeiten derbestehenden Abbildungseinrichtung, die schematisch in 1 gezeigt ist , hat mit der Position des Detektors oder der Kamerawinkel zu tun. Weil die Drehachse mit der Laserausbreitungseinstimmt Achse 6, 7, 8 in laserfeldinduzierte Molekülrotation ist es nicht praktisch , einen Detektor entlang der Drehachse anzubringen. Wenn der Detektor installiert ist, um die Laserbestrahlung zu vermeiden, entspricht die Kamerawinkel einer Seiten Beobachtung der Rotation. In diesem Fall ist es unmöglich , die ursprüngliche Orientierung von Molekülen aus dem projizierten (2D) Ionenbild 14 zu rekonstruieren. Eine 3D - Bilddetektor 14, 15, 16, 17, 18, 19, mit denen die Ankunftszeit an der oberen Detektor und das Ionen impact Positionen gemessen werden, bot eine einzigartige Möglichkeit, direkt molekularen Rotation beobachten 10 unter Verwendung von Coulomb Explosion Imaging, 12. Jedoch sind die akzeptablen ion counts per Laserschuß niedrig (typisch &lt;10 Ionen) in dem 3D - Detektor, was bedeutet , dass es schwierig ist , einen langen Film der Molekularbewegung mit hoher Bildqualität 14 zu schaffen. Die Totzeit der Detektoren (typischerweise ns) wirkt sich auch auf die Bildauflösung und Bildbearbeitungseffizienz. Es ist auch keine einfache Aufgabe durch Überwachung eines Echtzeit-Ionenbild mit einer Laserwiederholungsrate von &lt;~ 1 kHz eine gute Pumpsondenstrahl überlappen zu lassen. Obwohl mehrere Gruppen Drehwellenpakete die 3D - Technik beobachtet haben, wurde die räumliche Information beschränkt und / oder direkte und eine detaillierte Darstellung der Wellennatur, einschließlich komplizierte Knotenstrukturen, nicht 10 erreicht, 12. Das Wesen derdie neue Imaging - Technik ist die Verwendung des &quot;neuen Kamerawinkel&quot; in Abbildung 1. In dieser Konfiguration Belichtungslaserstrahl zu einem Detektor vermieden wird, während die 2D-Detektor zur Rotationsebene parallel ist, zu der Beobachtung, von der Drehachsenrichtung führt. Der Schlitz erlaubt nur die Ionen in der Rotationsebene (die Polarisationsebene der Laserpulse) zu einem Bild beitragen. Ein 2D-Detektor, die eine höhere Zählrate (typischerweise ~ 100-Ionen) als ein 3D-Detektor bietet, kann verwendet werden. Der Aufbau der Elektronik ist einfacher als im Fall der 3D-Erkennung, während die Messeffizienz höher ist. Zeitaufwendige mathematischen Rekonstruktion, wie Abel Inversion 14 wird auch Winkelinformationen zu extrahieren , nicht benötigt werden . Diese Eigenschaften führen zu der einfachen Optimierung des Messsystems und auf die Herstellung von qualitativ hochwertigen Filmen. Ein Standard-2D / 3D-geladener Teilchen Bildgebungsgerät kann leicht an die vorliegende Einrichtung witho geändert werdenut die Verwendung teurer Ausrüstung.

<table><tbody><tr><td>CMOS-Kamera</td><td>Toshiba TELI</td><td>BU-238M-ES</td><td>ausgestattet mit SONY IMX174 Sensor</td></tr><tr><td>Hochspannungsschalter</td><td>Behlke</td><td>HTS-41-03-GSM</td><td></td></tr><tr><td>Hochspannungsschalter</td><td>Behlke</td><td>HTS-80-03</td><td></td></tr><tr><td>Digitaler Verzögerungsgenerator</td><td>Stanford Forschungssysteme</td><td>DG535</td><td></td></tr><tr><td>Digitaler Verzögerungsgenerator</td><td>Stanford Forschungssysteme</td><td>DG645</td><td></td></tr><tr><td>Mikrokanal-Platte</td><td>Photonis</td><td>3075</td><td></td></tr><tr><td>Gepulstes Ventil</td><td>LAMID LTD</td><td>Even-Lavie-Ventil&nbsp;</td><td>Modell mit hoher Wiederholung bei Raumtemperatur</td></tr><tr><td>Molekularstrahlabschäumer</td><td>Institute for Molecular Science</td><td>13C11</td><td>3 und 1,5 mm Mittelloch, 25 Grad voller Innenwinkel und ~50 mm Länge</td></tr><tr><td>Optischer Komparator</td><td>Nikon</td><td>V-24B</td><td></td></tr><tr><td>DPSS Laser</td><td>Lighthouse Photonics</td><td>Sprout</td><td></td></tr><tr><td>Femtosecond Ti:Saphir Oszillator</td><td>KMLabs</td><td>Halcyon</td><td></td></tr><tr><td>Femtosecond Ti:Saphir Verstärker</td><td>Quantronix</td><td>Odin-II HE</td><td></td></tr><tr><td>Motorisierter Lineartisch</td><td>Sigma Koki</td><td>KST(GS)-100X</td><td></td></tr><tr><td>Manueller X-Tisch</td><td>Sigma Koki</td><td>TSD-601S Hochauflösende</td><td></td></tr><tr><td>Spiegelhalterung</td><td>Newport</td><td>Suprema SX100-F2KN-254</td><td></td></tr><tr><td>Hochauflösende Spiegelhalterung</td><td>LIOP-TEC GmbH</td><td>SR100-100R-2-HS</td><td></td></tr><tr><td>Polarisationsprüfer</td><td>Paradigm Geräte, Inc.</td><td>O-Tool VIS</td><td></td></tr><tr><td>Kommunikationsschnittstelle für Instrumente</td><td>National Instruments</td><td>NI-MAX</td><td></td></tr><tr><td>Grafische Entwicklungsumgebung für Messprogramme</td><td>National Instruments</td><td>LabVIEW 2014</td><td></td></tr><tr><td>Dielektrischer Laserlinienspiegel</td><td>CVI/LEO</td><td>TLM2-400/800-45UNP</td><td></td></tr><tr><td>Dielektrischer Laserlinienspiegel</td><td>Altechna</td><td>Low GDD Ultrakurzpulsspiegel</td><td></td></tr><tr><td>Dielektrischer Laserlinienspiegel</td><td>Altechna</td><td>Low GDD Ultraschneller Spiegel</td><td></td></tr><tr><td>Femtosekunden-Polarisator</td><td>Advanced Thin Films</td><td>PBS-GVD</td><td></td></tr></tbody></table>

direct imaging von lasergetriebenen ultrakurz molecular rotation

Direct Imaging of Laser-driven Ultrafast Molecular Rotation

Wir stellen eine Methode zur Visualisierung von laserinduzierten, ultraschnelle molekulare Drehwellenpaketdynamik. Wir haben ein neues 2-dimensionale Coulomb Explosion Imaging-Setup entwickelt, in denen ein bisher nicht praktikabel-Kamerawinkel realisiert wird. In unserer Imaging-Technik, zweiatomigen Moleküle werden mit einem zirkular polarisierten starken Laserpuls bestrahlt. Die ausgestoßenen Atomionen sind senkrecht zu der Laserausbreitungs beschleunigt. Die Ionen in der Laserpolarisationsebene liegen, werden durch die Verwendung eines mechanischen Schlitz ausgewählt, und mit einem Hochdurchsatz abgebildet wird, 2-dimensionalen Detektor installiert parallel zur Polarisationsebene. Weil ein zirkular polarisiertes (isotrop) Coulomb explodierenden Impuls verwendet wird, entspricht die beobachtete Winkelverteilung der ausgestoßenen Ionen direkt auf die quadrierten Rotationswellenfunktion zur Zeit der Pulsbestrahlung. Um eine Echtzeit-Film der molekularen Rotation, die vorliegende Abbildungstechnik schaffen mit einem Femtosekunden-Pump-Probe-o kombiniertptical Einrichtung, in der die Pumpimpulse schaffen rotierenden unidirektional molekularen Ensembles. Aufgrund der hohen Bild Durchsatz unseres Nachweissystems kann die Pump-Probe experimentellen Bedingungen leicht durch Überwachung eines Echtzeit-Momentaufnahme optimiert werden. Als Ergebnis ist die Qualität des beobachteten Film ausreichend hoch, um die detaillierte Wellennatur der Bewegung für die Visualisierung. Wir stellen ferner fest, dass die vorliegende Technik in bestehende Standard-Ionen-Imaging-Setups implementiert werden, eine neue Kamerawinkel oder Blickwinkel für die molekularen Systemen, ohne die Notwendigkeit für umfangreiche Änderungen an.

4A zeigt eine Sonden nur rohes Bild der N 2+ -Ionen ausgeworfen der Sonden Bestrahlung (Coulomb - Explosion), genommen für eine Sonde Laserschuss. Jeder helle Punkt entspricht einem Ion. 4B zeigt eine summierte Bild von 10.000 binarisiert RAW - Kamerabilder. Diese Bilder zeigen, dass unsere Imaging-Setup die Moleküle aller Orientierungswinkel in der Polarisationsebene zu überwachen. 4C zeigt die normierte Polarplot dem ...

Wir präsentieren ein Protokoll zur Erstellung eines Echtzeit-Films eines molekularen Rotationswellenpakets unter Verwendung eines hochauflösenden Coulomb-Explosionsbildgebungsaufbaus.

Direct Imaging von lasergetriebenen Ultrakurz Molecular Rotation

We present a method for visualizing laser-induced, ultrafast molecular rotational wave packet dynamics. We have developed a new 2-dimensional Coulomb ...

Insgesamt ist es das Ziel dieses Experiments, hochauflösende Echtzeit-Schnappschüsse der ultraschnellen Molekülrotation zu machen. Diese Methode kann helfen, Schlüsselfragen auf dem Gebiet der Quantenmechanik und der Physikalischen Chemie zu beantworten, wie z.B. die Verbindung zwischen der molekularen Quantenbewegung und der Welt der klassischen Mechanik. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass wir hochauflösende Echtzeit-Bildgebung von Molekülen mit hohem Durchsatz aus einem Kamerawinkel durchführen können, der bisher nicht realisiert wurde.Diese Methode kann Aufschluss über die Rotationsdynamik von Molekülen geben. Es kann auch auf andere Systeme wie orientierte Moleküle und Photoressourcenaktionen angewendet werden. Die für das Experiment benötigte Ausrüstung besteht aus zwei Hauptkomponenten.Das erste ist ein zweidimensionales Schichtbildgebungsgerät, das in einer Vakuumkammer aufgebaut ist. Dieses Schema gibt eine Vorstellung davon, was sich in der Kammer befindet. Nach Lasern ionisierte zweiatomige Moleküle.Es gibt ionenoptische Elemente, um die Ionisationsprodukte zu führen. Es gibt einen Schlitz zur Auswahl von Ionen in der Polarisationsebene des Lasers und ein

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