Um protocolo Experimental para Femtosecond NIR/UV - XUV bomba-sonda experimentos com Lasers de elétrons livres

Este método pode ajudar a responder a perguntas-chave na física e química, como quais ligações são quebradas primeiro ou como átomos e elétrons se reorganizam durante uma reação química. A principal vantagem desta técnica é que a radiação ultravioleta extrema de um Laser de Elétrons Livres ou FEL pode atuar como uma sonda específica do local porque só ioniza átomos específicos dentro de uma molécula. Aprender a alcançar a sobreposição espacial e temporal entre o FEL e os raios laser ópticos beneficia-se da demonstração visual porque diagnósticos muito específicos são usados e os efeitos podem ser sutis.

Demonstrando este procedimento será Demitrios Rompotis, físico do FLASH Free-Electron Laser em DESY. Primeiro, verifique se o detector de íons, o detector de elétrons e a potência de alta tensão para os eletrodos do espectrômetro de íons estão desligados. Feche as persianas de laser fel e óptica usando o software de instrumento.

Configure os filtros e atenuadores instalados na linha de feixe para que a energia de pulso FEL e a potência do laser óptico sejam reduzidas a menos de 1%. Em seguida, insira a tela de visualização do feixe Cerium YAG na região de interação. Abra o obturador FEL e examine a tela através de uma câmera CCD.

Se o ponto de viga não for detectável na tela, aumente ligeiramente a intensidade do feixe. Uma vez localizado o ponto de viga, marque a posição do feixe FEL como uma região de interesse no software de aquisição de dados da câmera. Em seguida, abra o obturador de laser óptico e feche o obturador FEL.

Ajuste os espelhos de direção para alinhar o raio laser óptico com a posição do feixe FEL marcado. Repita este processo de bloqueio do feixe para refinar a sobreposição espacial e verificar se a sobreposição é estável. Uma vez que os feixes estejam alinhados, remova a tela de visualização do feixe.

Ligue os detectores e a potência do eletrodo espectrômetro. Certifique-se de que um fotodiodo rápido conectado a um osciloscópio rápido seja instalado perpendicular ao feixe FEL, juntamente com uma malha móvel para desviar uma pequena quantidade de fótons espalhados para o diodo. Reduza a energia de pulso FEL e a potência óptica do laser para 1%de transmissão.

Em seguida, feche as persianas de laser fel e óptica. Insira a malha de dispersão no feixe. Ajuste a posição da malha, a energia de pulso FEL e a potência do laser óptico para que cada feixe individual produza um sinal claro e ambos os sinais tenham a mesma altura.

Em seguida, feche o obturador óptico laser. Configure o osciloscópio rápido para usar a melhor base de tempo disponível e coletar cerca de 100 médias para um rastreamento. Regissão e salve um traço de referência apenas do feixe FEL.

Em seguida, feche o obturador FEL e abra o obturador óptico a laser. Compare o traço do laser óptico com o traço de referência FEL. Em seguida, mude o tempo óptico de chegada do pulso de laser para que o início do sinal de laser óptico corresponda precisamente ao início do sinal FEL.

Repita o bloqueio do feixe e a comparação de início do sinal para confirmar que os pulsos de laser fel e óptico estão precisamente alinhados. Observe o momento em que os pulsos de laser fel e óptico se sobrepõem como a estimativa inicial de T0. Para começar a ajustar finamente o T0, atenuar o FEL e o laser óptico em um grau suficiente para evitar danificar os detectores de íons e elétrons quando o gás xenônio é introduzido no sistema. Certifique-se de que o espectrômetro está em tempo de modo de voo.

Em seguida, introduza gás xenônio na câmara através do jato de gás ou permitindo gás xenônio na câmara evacuada através de uma válvula de agulha. Se este último método for utilizado, atinja uma pressão de câmara entre uma vez 10 a sete negativos e uma vezes 10 para os seis milibarais negativos. Registo um tempo de íon xenônio de espectro de voo.

Em seguida, feche o obturador FEL e ajuste a energia de pulso FEL para que o xenônio dois mais e o xenônio três mais estejam entre os estados carregados de xenônio mais fortes no tempo de espectro de voo e estados carregados de xenônio mais altos sejam suprimidos tanto quanto possível. Em seguida, feche o obturador FEL e abra o obturador óptico a laser. Ajuste a potência óptica do laser para que os pulsos de laser produzam principalmente xenônio plus com apenas uma pequena quantidade de xenônio dois mais.

Abra o obturador FEL quando o ajuste estiver concluído. Com base no valor T0 bruto previamente determinado, defina o tempo de pulso de laser fel e óptico para que os pulsos de laser ópticos cheguem cerca de 200 picosegundos antes dos pulsos FEL. Adquira um tempo de íon xenônio de espectro de voo e determine a razão de xenônio dois mais xenônio três mais das áreas de pico.

Em seguida, configure os lasers de tal forma que os pulsos de laser ópticos cheguem cerca de 200 picosegundos após os pulsos FEL. Adquira outro tempo de espectro de voo e determine a razão de xenônio dois mais xenônio três mais. Verifique se o sinal de xenônio três mais é significativamente mais forte neste espectro do que no espectro anterior.

Às vezes, a diferença entre laser cedo e laser no final do sinal de xenônio é muito pequena devido à sobreposição espacial insuficiente. Nesse caso, deve-se repetir o procedimento de sobreposição espacial para obter uma grande diferença nos dois sinais. Defina o tempo de laser para a metade entre os dois valores anteriores e adquira outro tempo de espectro de voo.

Compare a proporção de xenônio dois mais xenônio três mais para determinar se os pulsos de laser ópticos estão chegando antes ou depois dos pulsos FEL. Se os pulsos de laser ópticos estiverem chegando antes dos pulsos fel, defina o tempo para a metade entre o valor atual e o valor em que os pulsos de laser ópticos chegaram a 200 picosegundos após os pulsos FEL. Adquira outro tempo de espectro de voo e examine a proporção de xenônio dois mais xenônio três mais.

Continue ajustando o tempo de pulso de laser até que T0 tenha sido aproximado com uma precisão de mais de 500 femtosegundos. Em seguida, configure uma varredura de atraso sobre uma região de mais ou menos um picosecond em torno da posição aproximada de T0 em passos de no máximo 50 femtosegundos. Adquira um tempo de espectro de voo e determine a razão de xenônio dois mais xenônio três mais para cada etapa.

Plote essas proporções em relação aos tempos de atraso, obtenha uma função de passo e calcule o centro da função de passo para obter a posição temporal exata de T0. O tempo de íon xenônio da espectroscopia de voo poderia ser usado para determinar se um pulso de 800 nanômetros perto do IR chegou em um alvo de gás xenônio antes ou depois de um pulso FEL com uma energia de fóton de pelo menos 67,5 elétrons volts. Após a ionização do xenônio metastável animado dois mais ocorreu quando o pulso quase IR chegou após o pulso FEL aumentar o xenônio três mais rendimento. Plotando a proporção de xenônio dois mais xenônio três mais em função do tempo de atraso forneceu uma função de passo a partir da qual T0 poderia ser determinado.

Imagens de impulso de íons de iodo também foram usadas para determinar T0 com uma energia de fótons de pelo menos 57 elétrons volts. Uma contribuição de baixa energia foi visível como um pico apenas quando o pulso UV chegou antes do pulso FEL. T0 foi extraído de um enredo do rendimento do íon-pico em função do tempo de atraso.

Dados de tiro por tiro registrados por um Monitor de Tempo de Chegada do Grupo foram usados para corrigir o nervosismo no tempo de chegada relativo dos pulsos FEL em relação aos pulsos de laser ópticos. Isso produziu uma melhoria notável na qualidade dos dados, particularmente na resolução temporal. Uma vez dominado, estabelecer a sobreposição temporal e espacial entre os pulsos de laser ópticos e o FEL pode ser feito em cerca de duas a três horas, enquanto a medição da sonda da bomba que se segue normalmente leva vários dias.

Embora este procedimento tenha sido desenvolvido para átomos e moléculas na fase gasosa, também pode ser aplicado a outras amostras, como nanopartículas ou líquidos e sólidos. Não se esqueça que trabalhar com lasers femtosegundos de alta potência pode ser extremamente perigoso. Treinamento de segurança específico é obrigatório.

E quando trabalhar com lasers de alta potência, use sempre seus óculos de segurança a laser protetores.