Direct Imaging del impulsada por el láser ultrarrápido Molecular Rotación

En general, el objetivo de este experimento es tomar instantáneas de alta resolución en tiempo real de la rotación molecular ultrarrápida. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de la mecánica cuántica y la química física, como la conexión entre el movimiento molecular cuántico y el mundo de la mecánica clásica. La principal ventaja de esta técnica es que podemos llevar a cabo imágenes en tiempo real de moléculas de alta resolución y alto rendimiento desde un ángulo de cámara que no se ha realizado anteriormente.

Este método puede proporcionar información sobre la dinámica de rotación de las moléculas. También se puede aplicar a otros sistemas, como las moléculas orientadas y las acciones de los recursos fotográficos. El equipo necesario para el experimento tiene dos componentes principales.

El primero es un aparato de imagen de corte bidimensional construido en una cámara de vacío. Este esquema proporciona una idea de lo que hay dentro de la cámara. Después de los láseres, moléculas diatómicas ionizadas.

Hay elementos ópticos iónicos para guiar los productos de ionización. Hay una ranura para seleccionar iones en el plano de polarización del láser y un electrodo que actúa como repelente pulsado. Dirige los iones a un detector paralelo que consta de placas de microcanales respaldadas por una pantalla de fósforo.

El segundo componente es la configuración óptica de la sonda de la bomba. Como se muestra en el esquema, la configuración emplea un amplificador láser de zafiro de titanio para crear tres pulsos colineales de femptosegundos. El primer pulso está polarizado linealmente con una longitud de onda central de 820 nanómetros y es para la alineación molecular.

El segundo pulso es para el control de dirección. Es una réplica retardada del primer pulso, excepto que la polarización lineal está inclinada 45 grados con respecto al primero. El tercer pulso es la sonda de imágenes de explosión de Coulomb.

Tiene una longitud de 407 nanómetros, está polarizado circularmente y dura 100 femtosegundos. Estos tres pulsos entran en la cámara de vacío por el mismo camino. Un paso importante es ajustar el estado de polarización de los pulsos utilizando un comprobador de polarización.

Este comprobador permite la visualización del estado de polarización mediante la intensidad de transmisión dependiente del ángulo de polarización. Instale el comprobador de polarización en la trayectoria del haz justo antes de que entre en la cámara. Concéntrese en el estado de polarización de la sonda de imagen.

El objetivo es la polarización circular. Para cambiar la polarización, use las placas de onda en la trayectoria del pulso. Ajuste las placas de onda en sus monturas ópticas giratorias.

Deténgase cuando el verificador indique que la polarización es circular. Siga un procedimiento similar con el pulso uno ajustando sus placas de onda. Al final, su ángulo de polarización debe ser vertical.

Manipule las placas de onda del segundo pulso para producir una polarización lineal donde el ángulo está a 45 grados con respecto al del pulso uno. Retire el comprobador de polarización y los volcados de la trayectoria del haz y complete otros preparativos de configuración. La superposición de tiempo de los pulsos debe optimizarse a grandes rasgos.

Para hacer esto, se deben montar cuatro elementos justo antes de la lente de enfoque en el sistema. La primera en el camino es una ventana óptica tan gruesa como la lente de enfoque y la ventana de la cámara combinadas. El siguiente es un cristal no lineal con una respuesta no lineal solo cuando la bomba y la sonda interactúan simultáneamente.

El tercero a lo largo del camino es un prisma de dispersión. Por último, hay una hoja de papel blanco para registrar la señal no lineal. Trabaje con la bomba de un haz y el pulso de la sonda colocando una descarga de haz en la bomba de dos vigas.

Búsqueda de una tercera señal armónica utilizando la platina motorizada. Presione el botón de movimiento en el controlador de escenario para escanear y buscar la tercera señal. El papel en la trayectoria del haz indicará la señal armónica con una fluorescencia azul blanca.

A continuación, desbloquee la bomba dos y bloquee la bomba uno con un volquete de vigas. Utilice la etapa manual en la línea de dos bombas para ajustar la trayectoria del haz. Escanee la etapa basada en micrómetros hasta que se produzca la emisión del tercer armónico.

La determinación del tiempo cero o superposición temporal se completa cuando la fluorescencia es visible en el papel. Antes de continuar, elimine todos los elementos que se agregaron a la línea de haz para encontrar la superposición temporal. El aspecto único de la configuración de la medición es la ubicación de la cámara.

Como se sugiere en este esquema, la superficie del detector es perpendicular al plano de polarización del láser. El eje de la cámara es perpendicular a la superficie del detector y, por lo tanto, paralelo a la línea de propagación del láser. Instale una cámara digital en el poste óptico frente al puerto de vista de vacío, asegurándose de que esté correctamente orientado.

Además, instale un ventilador de enfriamiento detrás de la cámara. Para reducir la luz no deseada, coloque una cortina sobre la región entre la ventana de visualización y la lente. Con la cámara conectada a la computadora, inicie el software de control y maximice la ganancia de la cámara.

Comience a capturar imágenes resultantes de la ionización molecular. Las imágenes de la cámara deben cubrir toda la superficie del detector cuando la cámara está colocada correctamente. Continúe monitoreando las imágenes capturadas para ajustar el enfoque de la cámara.

El tamaño de las manchas debidas a los iones debe ser lo más nítido y pequeño posible. Para las mediciones, primero encuentre la señal y optimice la configuración de imágenes iónicas. Para hacer esto, use solo el pulso de la sonda bloqueando los haces de pulso de la bomba.

El pulso viaja a través de una lente plana convexa para enfocarlo en los haces moleculares. Un generador de pulsos establece el tiempo de los interruptores de alto voltaje para la óptica de iones. Ajústelo al tiempo estimado de llegada de los iones de la molécula de nitrógeno.

Monitoree la imagen de iones mientras ajusta la posición de la lente y el tiempo del pulso de gas para lograr la imagen más grande y brillante. A continuación, use el generador de pulsos para cambiar la hora de los interruptores de alto voltaje. Utilice el tiempo para que el canal de nitrógeno doblemente ionizado de Coulomb explote.

En la computadora, disminuya la velocidad de fotogramas de la cámara y aumente el tiempo de exposición. Además, ajuste los sesgos ópticos de iones para que la distribución de iones observada se convierta en una elipse sin distorsiones. Continúe para encontrar la superposición espacial de la sonda de la bomba.

Desbloquee la bomba uno, pero mantenga la bomba dos bloqueada. Utilice el telescopio para colocar los residuos del haz de pulso de la bomba en un montaje de espejo de alta resolución para alterar la posición del haz. A medida que se ajusta el telescopio, monitoree el punto debido a los pulsos de la bomba.

Cuando se observa el tamaño de punto más pequeño, el residuo del haz está en el haz molecular. Continúe asegurándose de que el pulso de la sonda tome imágenes de las moléculas irradiadas por el pulso de la bomba. Esto requiere mover la etapa de retardo de su posición cero.

Para el nitrógeno, mueva la etapa motorizada unos 600 micrómetros hacia adelante. Como en este ejemplo, la imagen previamente isotrópica debe volverse fuertemente anisotrópica a lo largo de la dirección de la polarización de la bomba uno. En este punto, bloquee la bomba uno y desbloquee la bomba dos.

Utilice el montaje de espejo dos de alta resolución para encontrar la superposición de la sonda de la bomba. Ajuste el espejo mientras mantiene la trayectoria óptica de la bomba uno sin cambios. La alineación debe ser a lo largo del ángulo oblicuo de la dirección de polarización de la bomba dos con respecto a la polarización de la bomba uno.

Para observar la dinámica de rotación unidireccional, desbloquee ambos haces de la bomba. Utilice la etapa de retardo manual para establecer el retardo entre los haces de la bomba. Ajuste la etapa a cuatro picosegundos en el caso del nitrógeno molecular.

Configure la etapa motorizada en el haz de la sonda para escanear los retrasos de la sonda. Compruebe si se puede reconocer la rotación unidireccional en las imágenes de la cámara a medida que se escanea el retardo de la sonda. Para una película de rotación molecular unidireccional, cambie la velocidad de fotogramas de la cámara y el tiempo de exposición.

Utilice el control de la computadora para recopilar datos y recorrer los valores de tiempo de sondeo. Esta es una imagen en bruto de nitrógeno doblemente ionizado que se expulsó después de un disparo de irradiación de la sonda. Cada punto brillante corresponde a un ion.

Esta imagen se produce cuando se suman 10.000 de estas imágenes binarias. El tamaño real del espacio es de 80 milímetros por 50 milímetros. Tenga en cuenta que el color falso se utiliza para mostrar la intensidad de la señal.

En última instancia, los datos se pueden utilizar para generar un gráfico polar normalizado con el valor radial proporcional a una probabilidad dependiente del ángulo. En esta serie de instantáneas seleccionadas tomadas después de la irradiación con dos pulsos de bombeo se presentan pruebas claras de rotación molecular unidireccional. Hay tres series.

Uno tiene la imagen de iones en la que la forma elíptica se ha convertido en un círculo. El segundo tiene un gráfico polar correspondiente. Por último, hay una serie creada con un modelo construido a partir de imágenes superpuestas de mancuernas en varios ángulos de orientación, ponderadas con las probabilidades angulares observadas.

Después de su debut, esta técnica allanó el camino para que los investigadores en el campo de la ciencia molecular exploraran la naturaleza cuántica de la rotación molecular. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo controlar y visualizar la rotación molecular ultrarrápida utilizando pulsos láser de pistola phaser.