Name: Misurazione di coerenze ultraveloce vibrazionale in cationi poliatomici radicale con ionizzazione adiabatico del forte-campo (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-08-06T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 22 s
Description: Scopri la misurazione di coerenze ultraveloci in cationi poliatomici radicale con ionizzazione adiabatico del forte-campo. Questo metodo utilizza laser femtosecondo per studiare la dinamica molecolare e la dissociazione.

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Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Questo protocollo permette di risolvere ultraveloce dinamica vibrazionale in cationi poliatomici radicale attraverso preparazione selettiva degli ioni nello stato elettronico fondamentale. Mentre la procedura standard campo forte ionizzazione usando 800 nm può preparare vibrazionale coerenze in cationi radicali stato terra-elettronico di prima fila diatómicos10,11,12,13 e CO 2 <sup c...

Dopo l'invenzione del laser negli anni ' 60, l'obiettivo di rompere selettivamente legami chimici nelle molecole è stato un sogno di lunga data di chimici e fisici. La possibilità di regolare sia laser frequenza e intensità è stato creduto per abilitare diretto scissione di un legame di destinazione tramite assorbanza di energia selettiva alla frequenza vibrazionale associato1,2,3,4 . Tuttavia, i primi esperimenti trovano che ridistribuzione vibrazionale intramolecolare dell'energia assorbita in tutta la molecola spesso provocato dalla scissione non selettivo del più debole legame4,5. E ' stato non fino a quando lo sviluppo del femtosecond impulsi laser e la pompa-sonda tecnica6 verso la fine degli anni ' 80 che la diretta manipolazione di stati vibrazionali coerenti, o "pacchetti d'onda", abilitato controllo riuscito sul legame scissione e altra obiettivi6,7,8. Misurazioni di pompa-sonda, in cui l'impulso di "pompa" si prepara un stato eccitato o ione che successivamente viene eccitato da un impulso di tempo-in ritardo "sonda", rimangono una delle tecniche più ampiamente usate per studiare i processi ultraveloci in molecole9, 10,11,12,13,14,15,16,17,18, 19,20.
Una limitazione significativa per studiare la dissociazione ultrafast dynamics dei cationi radicali poliatomiche con pompa-sonda eccitazione accoppiata alla spettrometria di massa rilevazione deriva dalla frammentazione non selettivo della molecola bersaglio dalla pompa ionizzante impulso alla lunghezza d'onda costituita di 800 nm21,22,23. Questa frammentazione in eccesso deriva dalla ionizzazione multifotonica nonadiabatic e possono essere attenuata mediante lo spostamento della lunghezza d'onda di eccitazione nel vicino infrarosso (ad es., 1200-1500 nm)22,23,24, 25. A queste lunghezze d'onda, il contributo degli aumenti di tunneling adiabatico elettrone rispetto eccitazione multifotonica nel processo di ionizzazione22,23. Tunneling adiabatico conferisce poca energia in eccesso per la molecola e forme prevalentemente "a freddo" terra stato ioni molecolari19,22,23. Il nostro lavoro precedente ha dimostrato che l'uso del vicino infrarosso eccitazione migliora notevolmente la preparazione di eccitazioni vibrazionale coerente, o "pacchetti d'onda", in cationi poliatomici radicale rispetto a 800 nm eccitazione19, 20. Questo lavoro illustrerà la differenza tra campo forte ionizzazione dominato da contributi multifotonica e tunneling con misurazioni di pompa-sonda sulla guerra chimica agente simulante Dimetil metilfosfonato (DMMP) utilizzando 1500 nm e 800 nm lunghezze d'onda di pompa.
Nei nostri esperimenti di pompa-sonda, una coppia di impulsi laser ultrabrevi è ritardata, ricombinato e concentrati in uno spettrometro di massa di tempo di volo, come mostrato nel nostro setup nella Figura 1. Questi esperimenti richiedono un amplificatore rigenerativa costituita producendo > 2 mJ, 800 nm, 30 impulsi di fs. Uscita dell'amplificatore è diviso su un divisore di fascio di 90: 10 (% r %T), dove la maggior parte dell'energia viene utilizzata per pompare un amplificatore ottico parametrico (OPA) per la generazione di impulsi di 20-30 fs, 1200-1600 nm, 100-300 µ j. Il diametro del fascio IR pompa viene espanso a 22 mm e il diametro del 800 nm sonda fascio collimato giù a 5,5 mm e animato utilizzando un diaframma ad iride. Questi collimazioni causare il fascio pompa messa a fuoco a un significativamente più piccolo fascio vita (9 µm) rispetto il fascio sonda (30 µm), assicurando così che tutti gli ioni formati durante l'impulso di pompa ionizzante sono eccitati da un impulso temporizzato sonda. Questa configurazione è utilizzata perché l'obiettivo dei nostri esperimenti è quello di sondare le dinamiche dello ione molecolare genitore, che può essere costituito anche a bassa intensità vicino ai bordi del fascio focalizzato. Notiamo che se la dinamica di più specie ioniche altamente eccitato è di interesse, poi il diametro del fascio sonda dovrebbe essere fatto più piccolo di quello della pompa.
La pompa e sonda impulsi si propagano collinearly e sono concentrati nell'area di estrazione del Wiley-McLaren spettrometro di massa di tempo di volo (TOF-MS)26 (Figura 2). Molecolari campioni collocati in un flaconcino sono attaccati alla presa e aperti al vuoto. Questa configurazione richiede che la molecola in esame abbia una pressione di vapore diverso da zero; per molecole con bassa pressione di vapore, il flaconcino può essere riscaldato. Il flusso di campione gassoso nella camera è controllato da due valvole variabile perdita. Il campione entra nella camera attraverso un 1/16" in acciaio inox tubo circa 1 cm lontano il fuoco del laser (Figura 2) al fine di consegnare una localmente alta concentrazione della molecola bersaglio nell'estrazione regione27. La piastra di estrazione ha una fessura di 0,5 mm orientata ortogonale per i percorsi di propagazione e ioni di laser. Perché la gamma di Rayleigh del fascio pompa è di circa 2 mm, questa fessura serve come un filtro, permettendo solo ioni generati dal volume focale centrale dove l'intensità è massima per passare attraverso la piastra di estrazione28. Gli ioni inserire un tubo di drift privo di campo di 1 m per raggiungere il Z-gap canale micro piastra (MCP) rivelatore29, dove vengono rilevati e registrati con un oscilloscopio digitale 1GHz presso il tasso di ripetizione di 1 kHz di laser tipico commerciale costituita.

<table><tbody><tr><td>Componenti dello spettrometro di massa</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>TOF stack di lenti e assemblaggio del tubo di volo</td><td>Jordan TOF Products, Inc.</td><td>C-677</td><td></td></tr><tr><td>Gruppo rivelatore Z-gap da 18 mm</td><td>Jordan TOF Products, Inc.</td><td>C-701Z</td><td></td></tr><tr><td>TOF alimentatore ad alta tensione</td><td>Jordan TOF Products, Inc.</td><td>D-603</td><td></td></tr><tr><td>Componenti del sistema del vuoto</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Pompa primaria rotativa a palette</td><td>Edwards Vacuum LLC</td><td>RV12</td><td></td></tr><tr><td>Pompe turbomolecolari (2)</td><td>Edwards Vacuum LLC</td><td>EXT255H</td><td></td></tr><tr><td>Controllori per pompe turbomolecolari (2)</td><td>Edwards Vacuum LLC</td><td>EXC300</td><td></td></tr><tr><td>Manometro</td><td>Edwards Vacuum LLC</td><td>AIGX-S-DN40CF</td><td></td></tr><tr><td>Refrigeratore per raffreddamento ad acqua</td><td>Neslab</td><td>CFT-25</td><td></td></tr><tr><td>Sistema laser a femtosecondi</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Ti:Amplificatore rigenerativo in zaffiro</td><td>Coherent, Inc.</td><td>Oscillatore e amplificatore Astrella</td><td>in un unico sistema integrato</td></tr><tr><td>Amplificatore Ottico Parametrico (OPA)</td><td>Conversione della Luce</td><td>TOPAS Prime</td><td></td></tr><tr><td>Motion control</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Stadio di traslazione lineare motorizzato 1" di corsa</td><td>Thorlabs</td><td>Z825B</td><td></td></tr><tr><td>controller per stadio di traslazione lineare</td><td>Thorlabs</td><td>KDC 101</td><td></td></tr><tr><td>Hub controller USB e alimentatore</td><td>Thorlabs</td><td>KCH 601</td><td></td></tr><tr><td>Stadio di traslazione lineare manuale 1" di corsa</td><td>Thorlabs</td><td>PT1</td><td></td></tr><tr><td>Detectors</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Pyroelectric laser energy meter</td><td>Coherent, Inc.</td><td></td><td></td>1168337</tr><tr><td>Misuratore di potenza laser termico</td><td>Coherent, Inc.</td><td>5356E16R</td><td></td></tr><tr><td>Rivelatore Si-biased 200-1100 nm</td><td>Thorlabs</td><td>DET10A</td><td></td></tr><tr><td>Telecamera CMOS USB compatta</td><td>Thorlabs</td><td>DCC1545M</td><td></td></tr><tr><td>Spettrometro USB</td><td>Ocean Optics</td><td>HR4000</td><td></td></tr><tr><td>Oscilloscopio digitale da 1 GHz&nbsp;</td><td>LeCroy</td><td>WaveRunner 610Zi</td><td></td></tr><tr><td>Optics</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Type 1 BBO crystal</td><td>Crylight Photonics</td><td>BBO007</td><td>l'apertura e lo spessore possono essere personalizzati</td></tr><tr><td>Piastra acromatica a semionda, 1100-2000 nm</td><td>Thorlabs</td><td>AHWP05M-1600</td><td></td></tr><tr><td>Wollaston polarizzatore a prisma</td><td>Thorlabs</td><td>WPM10</td><td></td></tr><tr><td>Hollow catadiottro</td><td>PLX, Inc.</td><td>OW-20-1C</td><td></td></tr><tr><td>Filtro a densità neutra variabile</td><td>Thorlabs</td><td>NDC-100C-2</td><td></td></tr><tr><td>Specchio dicroico passatempo lungo diametro 2"</td><td>Thorlabs</td><td>DMLP950L</td><td></td></tr><tr><td>Software</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Digital Camera image software</td><td>Thorlabs</td><td>ThorCam</td><td></td></tr><tr><td>Interfaccia di comunicazione dello strumento</td><td>Nazionale Instruments</td><td>NI-MAX</td><td></td></tr><tr><td>Ambiente di sviluppo grafico per programmi di misura</td><td>National Instruments</td><td>LabVIEW</td><td></td></tr><tr><td>Software di elaborazione dati</td><td>Mathworks</td><td>MATLAB</td><td></td></tr></tbody></table>

misurazione di coerenze ultraveloce vibrazionale in cationi poliatomici radicale con ionizzazione adiabatico del forte-campo

Measurement of Ultrafast Vibrational Coherences in Polyatomic Radical Cations with Strong-Field Adiabatic Ionization

Presentiamo un metodo pompa-sonda per la preparazione di coerenze vibrazionale in poliatomici cationi radicali e sondando la loro dinamica ultraveloce. Spostando la lunghezza d'onda dell'impulso forte campo ionizzante pompa di comunemente usato 800 nm nel vicino infrarosso (1200-1600 nm), il contributo del tunnel per il processo di ionizzazione adiabatico di elettroni aumenta rispetto al multifotonica assorbimento. Ionizzazione adiabatico si traduce in popolazione predominante dello stato elettronico fondamentale dello ione alla rimozione dell'elettrone, che prepara efficacemente uno stato vibrazionale coerente ("pacchetto d'onde"), suscettibile di successiva eccitazione. Nei nostri esperimenti, la dinamica vibrazionale coerente vengono sondata con un impulso di campo debole 800 nm e il tempo-dipendente delle prodotti di dissociazione misurati in uno spettrometro di massa di tempo di volo. Vi presentiamo le misurazioni sulla molecola Dimetil metilfosfonato (DMMP) per illustrare come utilizzando impulsi di 1500 nm per l'eccitazione aumenta l'ampiezza delle oscillazioni coerenti agli ioni rendimenti di un fattore 10 rispetto agli impulsi di 800 nm. Questo protocollo può essere implementato in impostazioni pompa-sonda esistenti attraverso l'incorporazione di un amplificatore ottico parametrico (OPA) per la conversione di lunghezza d'onda.

Vengono presentati i risultati ottenuti per la molecola DMMP21 . La figura 3 Mostra gli spettri di massa DMMP prelevati a zero tempo di ritardo con le intensità di picco della pompa 1500 nm e 800 nm sonda legumi essendo 8 x 1013 e 8 x 1012 W cm-2, rispettivamente. Per riferimento, lo spettro di massa preso con solo l'impulso di pompa è anche mostrato. Gli spettri sono media laser oltre 10.000 colpi (acq...

Vi presentiamo un protocollo per sondare coerenze ultraveloce vibrazionale in poliatomici cationi radicali che provocare la dissociazione molecolare.

Misurazione di coerenze ultraveloce vibrazionale in cationi poliatomici radicale con ionizzazione adiabatico del forte-campo

We present a pump-probe method for preparing vibrational coherences in polyatomic radical cations and probing their ultrafast dynamics. By shifting the ...

Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave sulla dinamica ultra veloce dei cationi radicali poliatomici, come ad esempio se i moti vibrazionali coerenti sono eccitati e come l'esozione coerente guida l'associazione dei legami. Il vantaggio principale di questa tecnica è che i cationi radicalici poliatomici possono essere preparati nello stato elettronico fondamentale, il che migliora significativamente la capacità di risolvere moti vibrazionali coerenti. In generale, le persone che non conoscono questo metodo avrebbero difficoltà a impostare due percorsi di raggio indipendenti con lo stesso nome di percorso per garantire che i due raggi si propaghino esattamente parallelamente o collineramente quando necessario.Per prima cosa, accendi il laser a femtosecondi e attendi circa 30 minuti che si stabilizzi. Posizionare un divisore di fascio 90/10 dopo l'uscita del laser per generare due repliche, che verranno utilizzate per costruire le linee di fascio della pompa e della sonda. Controllare la potenza del laser prima del divisore di raggio e la potenza del raggio trasmesso per assicurarsi che venga trasmesso circa il 10% della potenza.Dirigere il raggio riflesso nell'amplificatore ottico parametrico. Quindi, ottimizzare la potenza di uscita utilizzando le procedure nel manuale. Quindi, impostare il software dell'amplificatore parametrico ottico per selezionare la lunghezza d'onda desiderata.Dirigere il fascio di uscita dall'amplificatore parametrico ottico attraverso la piastra a semionda e il polarizzatore. Bloccare il raggio polarizzato P e dirigere il raggio polarizzato S verso gli specchi concavi e convessi per espanderne il diametro di un fattore cinque. Quindi, dirigere il raggio espanso verso lo specchio dicroico.Per preparare il percorso ottico della sonda, dirigere il fascio che passa attraverso il divisore di fascio 90/10 verso gli specchi convessi e concavi per ridurne il diametro di un fattore due. Dirigere il fascio collimato verso il basso verso un retroriflettore cavo montato su uno stadio di ritardo lineare motorizzato. Regolare le manopole di montaggio dei due specchi piatti prima del retroriflettore per garantire che la posizione del fascio dopo il retroriflettore non cambi quando il tavolino viene spostato lungo l'intera gamma di corsa.Quindi, inserire un filtro a densità neutra sintonizzabile dopo la fase di ritardo per attenuare la potenza dell'impulso della sonda, inserire un diaframma dopo il filtro a densità neutra per regolare il diametro del fascio e dirigere il fascio verso lo specchio dicroico. Ora, inserire un cristallo di beta-bario borato di 15 millimetri di diametro dopo lo specchio dicroico per raddoppiare le lunghezze d'onda di entrambi i raggi, rendendoli così visibili. Regolare gli allineamenti del fascio della sonda all'estremità della pompa utilizzando i supporti dello specchio prima dello specchio dicroico in modo che i raggi si propaghino collinearmente attraverso la camera TOFMS e fuori dall'altro lato.Successivamente, posizionare un rilevatore di fotodio veloce a pochi centimetri davanti all'ingresso della finestra della camera TOFMS nel percorso dei raggi della sonda di fine pompa. Collegare il cavo del rivelatore a un oscilloscopio digitale e localizzare in modo indipendente i segnali degli impulsi della sonda di fine pompa. Regolare la posizione dello stadio di ritardo motorizzato sulla linea della sonda in modo tale che i segnali della sonda di fine pompa nell'oscilloscopio siano temporalmente sovrapposti.Se un segnale è costantemente davanti all'altro nell'oscilloscopio, spostare le montature che sostengono lo stadio di ritardo motorizzato per accorciare o allungare la lunghezza del percorso secondo necessità. Quindi, rimuovere il rilevatore di fotodiodi. Collegare il campione desiderato alla camera TOFMS e regolare la pressione.Accendere l'alimentatore TOFMS e controllare le tensioni. Verificare l'operatività del software di acquisizione dati rispetto alla comunicazione sia con lo stadio di ritardo motorizzato che con l'oscilloscopio. Sbloccare i raggi della sonda di estremità della pompa e assicurarsi che siano allineati nella camera TOFMS.Massimizza la potenza della sonda regolando il filtro a densità neutra. Impostare la potenza della pompa con la piastra d'onda su un livello sufficientemente alto per ottenere un segnale ionico soddisfacente. Quindi, regolare la posizione spaziale del fascio della sonda con le manopole sul supporto dello specchio dicroico fino a quando non si osserva un picco di intensità di tutti gli ioni, o si osserva un significativo esaurimento dello ione molecolare genitore e/o un aumento della resa degli ioni frammento.Regolare la posizione dello stadio di ritardo motorizzato per produrre un picco nel segnale ionico totale, che corrisponde a un ritardo pari a zero. Regolare l'energia dell'impulso della sonda di fine pompa per ottenere i segnali ionici desiderati. Nel software di acquisizione dati, specificare la lunghezza di scansione e la dimensione del passo.Infine, eseguire il software di acquisizione dati per acquisire lo spettro di massa ad ogni ritardo pompa-sonda. Qui sono mostrati gli spettri di massa DMMP presi con ritardo zero e con il solo impulso della pompa. C'è poca differenza percettibile tra gli spettri scarsamente sovrapposti e quelli della sola pompa, il che illustra come determinare la sovrapposizione spaziale ottimale dei fasci della sonda di fine pompa utilizzando direttamente i segnali ionici.Qui vengono visualizzati i dati spettrali di massa ottenuti da una scansione pompa-sonda con il tempo di volo sull'ascissa e il ritardo pompa-sonda sull'ordinata. I dati grezzi illustrano come i cambiamenti nei segnali ionici con il ritardo pompa-sonda in questi esperimenti possano essere visualizzati senza ulteriori elaborazioni di dati. Qui vengono mostrati i segnali ionici DMMP risolti nel tempo da una scansione pompa-sonda con sovrapposizione spaziale ottimizzata e scarsa dei fasci della sonda di fine pompa.Questi risultati illustrano l'importanza di ottimizzare la sovrapposizione spaziale pompa-sonda per acquisire segnali ionici transitori di alta qualità nei dati elaborati. Qui vengono visualizzati i segnali di ioni transitori PO2C2H4 DMMP e il frammento ioni transienti rilevati utilizzando lunghezze d'onda di pompa di 800 nanometri e 1500 nanometri. Qui viene mostrata la trasformata rapida dei segnali ionici DMMP presi con pompe da 800 nanometri e 1500 nanometri.Il picco a 750 numeri d'onda visibili per la pompa a 1500 nanometri illustra la risoluzione della frequenza con le impostazioni di scansione utilizzate. Durante il tentativo di questa procedura, è importante ricordarsi di ricontrollare lo sviluppo spaziale della pompa e dei fasci della sonda prima di registrare qualsiasi dato sperimentale. Seguendo questa procedura, è possibile eseguire calcoli della teoria del funzionale ab initio o della densità al fine di determinare quali modi vibrazionali sono eccitati in modo coerente, nonché identificare il livello o i livelli di energia elettronica a cui accede l'esozione sonda-impulso.Non dimenticare che lavorare con laser ad alta potenza può essere estremamente pericoloso e che durante l'esecuzione di questa procedura è necessario prendere sempre precauzioni come indossare occhiali di sicurezza adeguati.

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