Un protocole expérimental pour femtoseconde NIR/UV - XUV pompe-sonde expériences avec des Lasers à électrons libres

Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés en physique et en chimie telles que les liaisons qui sont brisées en premier ou comment les atomes et les électrons se réorganisent lors d’une réaction chimique. Le principal avantage de cette technique est que le rayonnement ultraviolet extrême d’un laser à électrons libres ou FEL peut agir comme une sonde spécifique au site, car il n’ionise que des atomes spécifiques dans une molécule. Apprendre à obtenir un chevauchement spatial et temporel entre les faisceaux laser FEL et optique bénéficie de la démonstration visuelle parce que des diagnostics très spécifiques sont utilisés et les effets peuvent être subtils.

Demitrios Rompotis, physicien au laser flash à électrons libres de DESY, démontrera cette procédure. Tout d’abord, vérifiez que le détecteur d’ion, le détecteur d’électrons et la puissance à haute tension des électrodes spectrométriques irion sont éteints. Fermez les volets laser FEL et optiques à l’aide du logiciel d’instrument.

Configurer les filtres et les atténuateurs installés dans la ligne de faisceau de sorte que l’énergie fel impulsion et la puissance laser optique sont réduits à moins de 1% de transmission. Insérez ensuite l’écran de visualisation du faisceau Cerium YAG dans la région d’interaction. Ouvrez l’obturateur FEL et examinez l’écran à l’aide d’une caméra CCD.

Si la tache du faisceau n’est pas détectable sur l’écran, augmentez légèrement l’intensité du faisceau. Une fois que la tache de faisceau a été localisée, marquez la position du faisceau FEL comme une région d’intérêt pour le logiciel d’acquisition de données de caméra. Ouvrez ensuite l’obturateur laser optique et fermez l’obturateur FEL.

Ajustez les rétroviseurs de direction pour aligner le faisceau laser optique avec la position marquée du faisceau FEL. Répétez ce processus de blocage du faisceau pour affiner le chevauchement spatial et vérifier que le chevauchement est stable. Une fois que les poutres sont alignées, retirez l’écran de visualisation du faisceau.

Allumez les détecteurs et la puissance de l’électrode spectrométrique. Assurez-vous qu’une photodiode rapide reliée à un oscilloscope rapide est installée perpendiculairement au faisceau FEL avec un maillage mobile pour détourner une petite quantité de photons épars vers la diode. Réduisez l’énergie des impulsions FEL et la puissance optique du laser à 1 % de transmission.

Fermez ensuite les volets laser FEL et optique. Insérez le maillage de diffusion dans le faisceau. Ajustez la position du maillage, l’énergie fel impulsion, et la puissance laser optique de sorte que chaque faisceau individuel produit un signal clair et les deux signaux ont la même hauteur.

Ensuite, fermez l’obturateur laser optique. Configurez l’oscilloscope rapide pour utiliser la meilleure base de temps disponible et pour recueillir environ 100 moyennes pour une trace. Enregistrez et enregistrez une trace de référence du faisceau FEL seul.

Fermez ensuite l’obturateur FEL et ouvrez l’obturateur laser optique. Comparez la trace du laser optique avec la trace de référence FEL. Déplacez ensuite l’heure d’arrivée de l’impulsion laser optique de sorte que l’apparition du signal laser optique corresponde précisément à l’apparition du signal FEL.

Répétez la comparaison de blocage du faisceau et de début du signal pour confirmer que les impulsions laser FEL et optiques sont alignées avec précision. Notez le moment où les impulsions laser FEL et optique se chevauchent comme estimation initiale de T0. Pour commencer le réglage fin T0, atténuez le FEL et le laser optique à un degré suffisant pour éviter d’endommager les détecteurs d’ion et d’électrons lorsque le gaz xénon est introduit dans le système. Assurez-vous que le spectromètre est en mode temps de vol.

Introduisez ensuite du gaz xénon dans la chambre soit par le jet de gaz, soit en permettant le gaz au xénon dans la chambre évacuée par une soupape d’aiguille. Si cette dernière méthode est utilisée, atteindre une pression de chambre entre une fois 10 au négatif sept et une fois 10 à la barre négative de six millibars. Enregistrez un temps d’ion au xénon du spectre de vol.

Ensuite, fermez l’obturateur FEL et ajustez l’énergie d’impulsion FEL de sorte que le xénon deux plus et xénon trois plus sont parmi les états chargés de xénon les plus forts dans le temps du spectre de vol et des états chargés de xénon plus élevés sont supprimés autant que possible. Fermez ensuite l’obturateur FEL et ouvrez l’obturateur laser optique. Ajustez la puissance optique du laser de sorte que les impulsions laser produisent principalement du xénon plus avec seulement une petite quantité de xénon deux plus.

Ouvrez l’obturateur FEL lorsque l’ajustement est terminé. Sur la base de la valeur T0 brute précédemment déterminée, définissez le FEL et le timing optique d’impulsion laser pour que les impulsions laser optiques arrivent environ 200 picosecondes avant les impulsions FEL. Acquérir un temps d’ion xénon du spectre de vol et de déterminer le rapport de xénon deux plus au xénon trois plus à partir des zones de pointe.

Configurez ensuite les lasers de telle sorte que les impulsions laser optiques arrivent environ 200 picosecondes après les impulsions FEL. Acquérez une autre période du spectre de vol et déterminez le rapport du xénon deux plus au xénon trois plus. Vérifiez que le signal xénon trois plus est significativement plus fort dans ce spectre que dans le spectre précédent.

Parfois, la différence entre le laser tôt et le laser tard dans le signal de xénon est très faible en raison du chevauchement spatial insuffisant. Dans un tel cas, il faut répéter la procédure de chevauchement spatial afin d’atteindre une grande différence dans les deux signaux. Réglez la synchronisation laser à mi-chemin entre les deux valeurs précédentes et d’acquérir une autre heure de spectre de vol.

Comparez le rapport du xénon deux plus au xénon trois plus pour déterminer si les impulsions laser optiques arrivent avant ou après les impulsions FEL. Si les impulsions laser optiques arrivent avant les impulsions FEL, réglez le timing à mi-chemin entre la valeur actuelle et la valeur à laquelle les impulsions laser optiques sont arrivées 200 picosecondes après les impulsions FEL. Acquérir une autre fois du spectre de vol et examiner le rapport de xénon deux plus au xénon trois plus.

Continuer à ajuster le timing de l’impulsion laser jusqu’à ce que T0 ait été approché avec une précision de plus de 500 femtosecondes. Ensuite, configurer un balayage de retard sur une région de plus ou moins une picoseconde autour de la position approximative de T0 dans des étapes d’au plus 50 femtosecondes. Acquérez un temps de spectre de vol et déterminez le rapport du xénon deux plus au xénon trois plus pour chaque étape.

Tracez ces ratios par rapport aux délais, tirez une fonction d’étape et calculez le centre de la fonction d’étape pour obtenir la position temporelle exacte de T0. L’heure du xénon ion de la spectroscopie de vol pourrait être utilisée pour déterminer si une impulsion proche de l’IR de 800 nanomètres est arrivée dans une cible de gaz xénon avant ou après une impulsion FEL avec une énergie photon d’au moins 67,5 volts électroniques. La post-ionisation du xénon métastable excité deux plus s’est produite quand l’impulsion proche-IR est arrivée après que l’impulsion de FEL augmentant le xénon trois plus le rendement. Tracer le rapport du xénon deux plus au xénon trois plus en fonction du temps de retard a fourni une fonction d’étape à partir de laquelle T0 pourrait être déterminé.

Des images d’élan d’iode ion ont également été employées pour déterminer T0 avec une énergie de photon d’au moins 57 volts d’électron. Une faible contribution énergétique n’était visible qu’à l’arrivée de l’impulsion UV avant l’impulsion FEL. T0 a été extrait d’une parcelle du rendement d’ion de pointe en fonction du temps de retard.

Les données prises par coup enregistrées par un moniteur d’heure d’arrivée bunch ont été utilisées pour corriger la nervosité à l’heure d’arrivée relative des impulsions FEL en ce qui concerne les impulsions laser optiques. Ceci a produit une amélioration notable de la qualité de données particulièrement dans la résolution temporelle. Une fois maîtrisé, l’établissement du chevauchement temporel et spatial entre les impulsions laser optiques et le FEL peut être fait en environ deux à trois heures tandis que la mesure de la sonde de pompe qui suit prend généralement plusieurs jours.

Bien que cette procédure ait été développée pour les atomes et les molécules dans la phase de gaz, elle peut également être appliquée à d’autres échantillons tels que les nanoparticules ou les liquides et les solides. N’oubliez pas que travailler avec des lasers femtoseconde de grande puissance peut être extrêmement dangereux. Une formation spécifique en matière de sécurité est obligatoire.

Et lorsque vous travaillez avec des lasers de grande puissance, portez toujours vos lunettes de sécurité laser protectrices.