Un protocolo Experimental de femtosegundo NIR/UV - XUV bomba sonda experimentos con láseres de electrones libres

Este método puede ayudar a responder preguntas clave en física y química, como qué enlaces se rompen primero o cómo los átomos y electrones se reorganizan durante una reacción química. La principal ventaja de esta técnica es que la radiación ultravioleta extrema de un láser de electrones libres o FEL puede actuar como una sonda específica del sitio porque sólo ioniza átomos específicos dentro de una molécula. Aprender a lograr la superposición espacial y temporal entre los rayos láser FEL y ópticos se beneficia de la demostración visual porque se utilizan diagnósticos muy específicos y los efectos pueden ser sutiles.

Demostrando este procedimiento estará Demitrios Rompotis, físico del flash free-electron Laser en DESY. En primer lugar, verifique que el detector de iones, el detector de electrones y la potencia de alto voltaje para los electrodos del espectrómetro iónico estén apagados. Cierre las persianas láser ópticas y FEL utilizando el software del instrumento.

Configure los filtros y atenuadores instalados en la línea de haz para que la energía de pulso FEL y la potencia óptica del láser se reduzcan a menos del 1% de transmisión. A continuación, inserte la pantalla de visualización de la viga Cerium YAG en la región de interacción. Abra el obturador FEL y examine la pantalla a través de una cámara CCD.

Si el punto de haz no es detectable en la pantalla, aumente ligeramente la intensidad del haz. Una vez localizado el punto de viga, marque la posición del haz FEL como una región de interés en el software de adquisición de datos de la cámara. A continuación, abra el obturador óptico láser y cierre el obturador FEL.

Ajuste los espejos de dirección para alinear el rayo láser óptico con la posición marcada del haz FEL. Repita este proceso de bloqueo de haz para refinar la superposición espacial y verificar que la superposición es estable. Una vez alineadas las vigas, retire la pantalla de visualización de la viga.

Encienda los detectores y la potencia del electrodo del espectrómetro. Asegúrese de que un fotodiodo rápido conectado a un osciloscopio rápido esté instalado perpendicularmente al haz FEL junto con una malla móvil para desviar una pequeña cantidad de fotones dispersos al diodo. Reduzca la energía de pulso FEL y la potencia óptica del láser a una transmisión del 1%.

A continuación, cierre las persianas láser ópticas y FEL. Inserte la malla de dispersión en la viga. Ajuste la posición de la malla, la energía de pulso FEL y la potencia óptica del láser para que cada haz individual produzca una señal clara y ambas señales tengan la misma altura.

A continuación, cierre el obturador óptico láser. Configure el osciloscopio rápido para utilizar la mejor base de tiempo disponible y para recoger alrededor de 100 promedios para un rastro. Registre y guarde un rastro de referencia de la viga FEL solo.

A continuación, cierre el obturador FEL y abra el obturador óptico láser. Compare el rastro del láser óptico con la traza de referencia FEL. A continuación, cambie la hora de llegada del pulso del láser óptico para que el inicio de la señal láser óptica coincida exactamente con el inicio de la señal FEL.

Repita el bloqueo del haz y la comparación de inicio de señal para confirmar que los pulsos láser ópticos y FEL están alineados con precisión. Observe la hora en que los pulsos de láser óptico y FEL se superponen como la estimación inicial de T0. Para comenzar a ajustar con precisión T0, atenúe el FEL y el láser óptico en un grado suficiente para evitar dañar los detectores de iones y electrones cuando se introduce gas de xenón en el sistema. Asegúrese de que el espectrómetro esté en modo de vuelo en tiempo de vuelo.

A continuación, introduzca gas de xenón en la cámara ya sea a través del chorro de gas o permitiendo el gas de xenón en la cámara evacuada a través de una válvula de aguja. Si se utiliza este último método, alcance una presión de cámara entre uno por 10 y uno negativo siete y una por 10 a las seis milibares negativas. Registre un tiempo de iones de xenón del espectro de vuelo.

A continuación, cierre el obturador FEL y ajuste la energía del pulso FEL para que los dos xenón dos y el xenón tres plus se encuentran entre los estados cargados de xenón más fuertes en el tiempo de espectro de vuelo y los estados cargados de xenón más altos se suprimen tanto como sea posible. A continuación, cierre el obturador FEL y abra el obturador óptico láser. Ajuste la potencia óptica del láser para que los pulsos láser produzcan principalmente xenón plus con sólo una pequeña cantidad de xenón dos más.

Abra el obturador FEL cuando finalice el ajuste. De acuerdo con el valor T0 áspero previamente determinado, ajuste el tiempo de pulso láser óptico y FEL para que los pulsos del láser óptico lleguen alrededor de 200 picosegundos antes de los pulsos FEL. Adquirir un tiempo de iones de xenón del espectro de vuelo y determinar la relación de xenón dos más a xenón tres más de las áreas pico.

A continuación, configure los láseres de tal manera que los pulsos ópticos del láser lleguen alrededor de 200 picosegundos después de los pulsos FEL. Adquirir otro tiempo de espectro de vuelo y determinar la relación de xenón dos más a xenón tres más. Verifique que la señal del xenón tres más sea significativamente más fuerte en este espectro que en el espectro anterior.

A veces, la diferencia entre el láser temprano y el láser al final de la señal de xenón es muy pequeña debido a la superposición espacial insuficiente. En tal caso, se debe repetir el procedimiento de superposición espacial para lograr una gran diferencia en las dos señales. Establezca la sincronización del láser a mitad de camino entre los dos valores anteriores y adquiera otro tiempo de espectro de vuelo.

Compare la relación de xenón dos más con xenón tres más para determinar si los pulsos ópticos del láser están llegando antes o después de los pulsos FEL. Si los pulsos ópticos del láser están llegando antes de los pulsos FEL, ajuste el tiempo a la mitad entre el valor actual y el valor al que llegaron los pulsos del láser óptico 200 picosegundos después de los pulsos FEL. Adquirir otro tiempo de espectro de vuelo y examinar la relación de xenón dos más a xenón tres más.

Continúe ajustando el tiempo del pulso láser hasta que T0 se haya aproximado con una precisión superior a 500 femtosegundos. A continuación, configure un análisis de retardo sobre una región de más o menos un picosegundo alrededor de la posición aproximada de T0 en pasos de no más de 50 femtosegundos. Adquiera un tiempo de espectro de vuelo y determine la relación de xenón dos más a xenón tres más para cada paso.

Trazar estas relaciones con respecto a los tiempos de retardo, derivar una función de paso y calcular el centro de la función de paso para obtener la posición temporal exacta de T0. El tiempo de iones de xenón de la espectroscopia de vuelo se podría utilizar para determinar si un pulso cercano a infrarrojo cercano a 800 nanómetros llegó en un objetivo de gas xenón antes o después de un pulso FEL con una energía fotónica de al menos 67,5 voltios de electrones. La ionización posterior al xenón metastable excitado dos más ocurrió cuando el pulso casi IR llegó después de que el pulso FEL aumentara el rendimiento de xenón tres más. Trazado de la relación de xenón dos más a xenón tres más en función del tiempo de retardo proporcionó una función de paso a partir de la cual se pudo determinar T0.

También se utilizaron imágenes de impulso de iones de yodo para determinar T0 con una energía fotónica de al menos 57 voltios de electrones. Una contribución de baja energía era visible como un pico sólo cuando el pulso UV llegó antes del pulso FEL. T0 se extrajo de una gráfica del rendimiento de iones de pico en función del tiempo de retardo.

Los datos de disparo a disparo registrados por un monitor de tiempo de llegada de grupo se utilizaron para corregir el jitter en la hora de llegada relativa de los pulsos FEL con respecto a los pulsos ópticos del láser. Esto produjo una mejora notable en la calidad de los datos, especialmente en la resolución temporal. Una vez dominado, establecer la superposición temporal y espacial entre los pulsos del láser óptico y el FEL se puede hacer en aproximadamente dos a tres horas, mientras que la medición de la sonda de la bomba que sigue normalmente toma varios días.

Aunque este procedimiento fue desarrollado para átomos y moléculas en la fase gaseosa, también se puede aplicar a otras muestras como nanopartículas o líquidos y sólidos. No olvide que trabajar con láseres de femtosegundos de alta potencia puede ser extremadamente peligroso. La formación específica en seguridad es obligatoria.

Y cuando trabaje con láseres de alta potencia, use siempre sus gafas protectoras de seguridad láser.