Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Chemistry

التصوير المباشر مدفوعة الليزر فائق السرعة الجزيئية دوران

doi: 10.3791/54917 Published: February 4, 2017

Abstract

نقدم طريقة لتصور الليزر التي يسببها، فائق السرعة الجزيئية التناوب ديناميات موجة الحزمة. لقد قمنا بتطوير كولوم الإعداد انفجار التصوير 2-الأبعاد الجديد الذي يتحقق زاوية الكاميرا حتى الآن، غير عملي. في تقنية التصوير لدينا، والمشع ثنائي الذرة مع نبضة ليزر قوي الاستقطاب دائري. وتسارعت وأيونات ذرية طرد عموديا على نشر الليزر. ويتم اختيار أيونات الكذب في الطائرة الاستقطاب الليزر من خلال استخدام فتحة الميكانيكية وتصوير مع الإنتاجية العالية، كاشف 2-الأبعاد تثبيت موازية لطائرة الاستقطاب. بسبب استخدام الاستقطاب دائري (الخواص) كولوم نبض تنفجر، والتوزيع الزاوي لاحظ من أيونات طرد يقابل مباشرة إلى وظيفة موجة التناوب المربعة في وقت أشعة النبض. لإنشاء الفيلم في الوقت الحقيقي من دوران الجزيئي، يتم الجمع بين تقنية التصوير الحالية مع الفيمتو ثانية مضخة مسبار سالإعداد ptical التي النبضات مضخة خلق باتجاه وتدور الفرق الجزيئية. نظرا لسرعة نقل صورة عالية من نظام الكشف لدينا، وحالة تجريبية مضخة مسبار يمكن أن يكون الأمثل بسهولة من خلال رصد لقطة في الوقت الحقيقي. ونتيجة لذلك، فإن جودة الفيلم لاحظ مرتفعة بما فيه الكفاية لتصور طبيعة موجة تفصيلية للحركة. ونلاحظ أيضا أن التقنية الحالية يمكن تنفيذها في الاجهزة القائمة التصوير مستوى أيون، وتقدم زاوية الكاميرا الجديدة أو وجهة نظر لأنظمة الجزيئية دون الحاجة إلى تعديل واسع.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

من أجل فهم أعمق واستخدام أفضل لطبيعة ديناميكية الجزيئات، فإنه من الضروري وضع تصور واضح الاقتراحات الجزيئية من الفائدة. وقت حل كولوم انفجار التصوير هو واحد من الطرق القوية لتحقيق هذا الهدف 1 و 2 و 3. في هذا النهج، وبدأت ديناميات الجزيئية من الاهتمام من قبل حقل الليزر مضخة القصر ومن ثم يتم بحثها من قبل الذي تأخر الوقت مسبار النبض. بعد التشعيع التحقيق، والمتأينة تتكاثر الجزيئات واقتحام أيونات جزء بسبب تنافر كولومب. التوزيع المكاني للأيونات طرد هو قياس التركيب الجزيئي والتوجه المكاني في تشعيع التحقيق. تسلسل القياس مسح تأخير الوقت مضخة مسبار يؤدي إلى خلق فيلم الجزيئي. ومن الجدير بالذكر أنه لأبسط حالة - ثنائي الذرة - توزيع الزاوي للأيونات طرديعكس بشكل مباشر على توزيع محور الجزيئية (أي مربع التناوب الدالة الموجية).

وفيما يتعلق بعملية ضخ، وقد أدى التقدم الذي أحرز مؤخرا في السيطرة متماسكة من حركة الجزيئات باستخدام حقول ليزر فائقة القصر إلى خلق رقابة شديدة الحزم موجة التناوب 5. وعلاوة على ذلك، فإن اتجاه دوران يمكن التحكم بنشاط باستخدام حقل التي تسيطر عليها الاستقطاب الليزر 6 و 7 و 8. ولذلك كان من المتوقع أن صورة تفصيلية عن دوران الجزيئي، بما في ذلك الطبيعة موجة، يمكن تصوره عندما يتم الجمع بين تقنية التصوير انفجار كولوم مع هذه العملية ضخ 10، 11، 12، 13. ومع ذلك، لدينا بعضمرة تواجه صعوبات التجريبية المرتبطة طرق التصوير الموجودة، كما هو مذكور أدناه. والغرض من هذه الورقة هو تقديم طريقة جديدة للتغلب على هذه الصعوبات وخلق الفيلم بجودة عالية من الحزم موجة التناوب الجزيئية. الفيلم التجريبي الأول من دوران الجزيئية التي اتخذت مع الطريقة الحالية، جنبا إلى جنب مع الآثار المادية، وعرضت في الورقة السابقة لدينا 11. سيتم إعطاء خلفية للتنمية، فإن الجانب النظري التفصيلي للتقنية التصوير الحالية، ومقارنة مع غيرها من التقنيات الموجودة في ورقة المقبلة. هنا، سوف نركز بشكل رئيسي على الجوانب العملية والتقنية لهذا الإجراء، بما في ذلك الجمع من الإعداد البصرية نموذجي مضخة مسبار وجهاز التصوير الجديد. كما هو الحال في ورقة سابقة، الهدف هو نظام باتجاه وتناوب جزيئات النيتروجين 11.

صعوبة التجريبية الرئيسية للالإعداد والتصوير، كما هو موضح في الشكل رقم 1 تخطيطي الحالية، ليس له اي علاقة مع موقف كاشف، أو زاوية الكاميرا. لأن محور الدوران يتزامن مع نشر الليزر محور 6 و 7 و 8 في تناوب الجزيئية التي يسببها الليزر الميدان، أنه ليس من العملي لتثبيت جهاز لكشف على طول محور الدوران. عند تثبيت كاشف وذلك لتجنب أشعة الليزر، وزاوية الكاميرا يتوافق مع ملاحظة الجانب الدوران. في هذه الحالة، فإنه من المستحيل لإعادة توجيه الأصلي من جزيئات من الصورة (2D) أيون المتوقعة 14. و3D كاشف 14، 15، 16، 17، 18، 19 التصوير، والتي في وقت وصول لكشف العلوي وIMPAC أيونويمكن قياس مواقف ر، وعرضت بطريقة فريدة من نوعها لمراقبة مباشرة دوران الجزيئي باستخدام كولوم انفجار التصوير 10 و 12. ومع ذلك، فإن التهم أيون مقبولة لكل طلقة ليزر منخفضة (عادة <10 أيونات) في كشف 3D، وهذا يعني أنه من الصعب لخلق فيلم طويل من الحركة الجزيئية مع صورة عالية الجودة 14. في الوقت الميت من أجهزة الكشف عن (عادة م) يؤثر أيضا على دقة وضوح الصورة والكفاءة التصوير. كما أنه ليس من مهمة بسيطة لجعل جيدة مضخة مسبار شعاع التداخل من خلال رصد صورة أيون في الوقت الحقيقي مع معدل تكرار الليزر <1 كيلو هرتز ~. على الرغم من أن العديد من الجماعات وقد لاحظ الحزم موجة التناوب باستخدام تقنية 3D، والمعلومات المكانية المحدودة و / أو مباشرة، ووضع تصور مفصل لطبيعة الموجة، بما في ذلك الهياكل العقدي معقدة، لم تحقق 10 و 12.

جوهرتقنية التصوير الجديدة هي استخدام "زاوية الكاميرا الجديدة" في الشكل 1. في هذا التكوين، يتم تجنب أشعة الليزر التعرض للكاشف في حين كشف 2D موازية للطائرة التناوب، مما أدى إلى المراقبة من اتجاه محور الدوران. الشق يسمح فقط لايون في الطائرة التناوب (الطائرة استقطاب نبضات ليزر) للمساهمة في الصورة. كاشف 2D، الذي يوفر معدل عدد العالي (عادة ~ 100 الأيونات) من جهاز كشف 3D، ويمكن استخدامها. الإعداد للإلكترونيات أبسط مما كانت عليه في حالة اكتشاف 3D، في حين أن كفاءة قياس أعلى. إعادة الإعمار الرياضية، مثل هابيل انقلاب 14 تستغرق وقتا طويلا، كما لا حاجة لاستخراج المعلومات الزاوي. هذه الميزات تؤدي إلى التحسين من السهل لنظام القياس وإنتاج أفلام ذات جودة عالية. جهاز القياسية 2D / 3D اتهم الجسيمات التصوير يمكن تعديلها بسهولة لwitho الإعداد الحاليحزب التحرير استخدام معدات باهظة الثمن.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

ملاحظة: من خلال هذا البروتوكول، ونحن توضيح ما قمنا به بالفعل لتطوير المنهج الحالي. المعلمات بالضبط، بما في ذلك غرفة وتصميم الإعداد الضوئية والأحجام والأنواع من الأجزاء، ليست دائما ضرورية لتطبيق النظام الحالي للجهاز القارئ. ستعطى جوهر الإجراءات كما يلاحظ في كل خطوة.

1. البناء من 2D شريحة التصوير جهاز

يتم تثبيت طوال هذه الخطوة، جميع أجزاء المتاحة تجاريا والمعدات، مثل مضخة فراغ وكاشف، وفقا لتعليمات الشركة الصانعة أو أدلة المستخدم: ملاحظة.

  1. كما هو الحال في بناء جهاز التصوير نموذجي 2D / 3D أيون 14، تصميم وبناء غرفة فراغ ضخ تفاضلي لديه مساحة كافية لاستيعاب صمام نابض، كاشطات شعاع الجزيئية، والبصريات أيون (كومة من 100 ملم حلقات مع 50 ملم حفرة)، وحدة خارج المحور أيون التصوير (ا ف بulsed القطب مبيد الحشرات وكومة من لوحات متناهية مدعومين بعدد الفوسفور)، وأنبوب رحلة أيون (> 200 ملم المنطقة الانجراف).
  2. إرفاق صمام نابض إلى القسم الغرفة باستخدام أربع وظائف مترابطة (15 سم، Φ12 ملم)، والتي الثقوب الترباس على القسم متحدة المركز إلى الغرفة. تثبيت كاشطات شعاع الجزيئية إلى القسم الغرفة مباشرة أمام فوهة باستخدام لوحة إبقاء.
    ملاحظة: في بناء جهاز التصوير أيون، فمن الضروري أن محور الحزمة الجزيئية ومحور شعاع الليزر تتقاطع في محور البصريات أيون. لتحقيق ذلك، وأنها مريحة لتحديد محور شعاع الجزيئية كمحور غرفة المصدر. الخطوة 1.2 هي لهذا الغرض. وبالإضافة إلى ذلك، يجب أن تكون الثقوب مقشدة تمشيا مع فوهة صمام، وضمان أن مركز الحزم الجزيئية يمكن أن يدخل مرحلة ضخ تفاضلي من خلال مقشدة. ومن المهم أيضا أن تنظر في وزن صمام نابض. وبالتالي، سميكة بما فيه الكفايةيجب أن تستخدم المشاركات الخيوط لربط صمام نابض للجدار التقسيم. الحفاظ على مسافة 15 سم بين فوهة والتقسيم من أجل تجنب تأثير انعكاس للغاز ومقشدة تدخل 20.
  3. تثبيت البصريات أيون إلى المرحلة النهائية من غرفة ضخ تفاضلي، كما هو الحال في الإعداد والتصوير أيون نموذجي 21.
    ملاحظة: يتم تنفيذ هذه الخطوة على النحو التالي: يتم ثمل الوظائف تصاعد مترابطة إلى القسم الغرفة. على الوظائف، يتم تأمين كومة من البصريات ايون في مكان مع المكسرات. لأن الثقوب الترباس للوظائف متحدة المركز إلى غرفة، ومحور للبصريات أيون يتزامن مع ذلك من الشعاع الجزيئي.
  4. تثبيت النوافذ الزجاجية الضوئية (سمك 1 ملم، وقطره 25 ملم، السيليكا تنصهر) عن طريق وضع P16 يا الدائري بين شفة فراغ مع وجود ثقب ونافذة، حتى أن نبضات الليزر يمكن أن تتقاطع الشعاع الجزيئي.
    ملاحظة: من خلال هذه النوافذ، يمكن نبضات الليزر الوصول إلى middl(ه) من أول وثاني أقطاب أيون وتتقاطع محور البصريات أيون.
  5. بناء على خارج المحور وحدة التصوير أيون (الشكل 2).
    ملاحظة: طوال هذه الخطوة، والرجوع إلى الشكل 2 للتحقق من ترتيب 3-الأبعاد للوحدة. وقد تم تثبيت جميع أجزاء القطب (كاشف أيون ومبيد الحشرات) إلى اللوح الأساس 100 ملم مع البراغي نظرة خاطفة، في حين تقام أجزاء أخرى مع البراغي غير القابل للصدأ. جوهر هو جبل كاشف التصوير 2D في المنطقة ايون الانجراف بحيث سطح كاشف لها موازية للمحور ايون البصريات وعمودي على محور نشر الليزر. وبطبيعة الحال، جميع أجزاء لاستخدامها في ذات الجهد العالي ينبغي أن تكون معزولة كهربائيا. ونحن نوصي بأن المسافة بين أيون البصريات (الطيران) محور وسطح كاشف هو ملم قليلة (في هذه الحالة، 5 ملم). مع مسافة أطول، وسوف يستغرق مزيدا من الوقت لدفع أيونات إلى كشف، وأقصر مسافة قد يؤدي إلى تصريف بين MCP الصورةurface ومبيد الحشرات نابض.
    1. مراقبة حافة ريش فتحة (100 ملم طول) مع المجهر الضوئي (~ 30X) و / أو المقارنة البصرية وتؤكد أنه لا توجد الخدوش أو الخدوش أكبر من 30 ميكرون يقع في حافة ريش فتحة.
      ملاحظة: يجب أن يتم تنظيمها ريش فتحة في موازاة ذلك، وليس والخدوش مقبولة. الانحراف عن بالتوازي يؤدي إلى عدم التجانس الكشف أيون. عيب من شفرة يحط صورة المرصودة (انظر القسم مناقشة).
    2. باستخدام مخالب صغيرة متزايدة، ونعلق ريش فتحة لصاحب شق شفرة، والتي تتكون من زوج من 122.4 ملم لوحات الألومنيوم على اتصال مع الربيع، كما هو الحال في الغسيل. إدراج أيضا قضيب الألومنيوم مدبب في "دبوس الملابس."
      ملاحظة: هي التي شنت ريش فتحة على الجانب مقبض الباب (نقطة من الجهد) من الغسيل. عندما يتم إدخال قضيب الألومنيوم مدبب من شكل مثل قلم رصاص شحذ إلى الجانب معسر (نقطة العمل) من اومهthespin، وعرض الشق يصبح أكبر مع زيادة الإدراج عمق قضيب مدبب (انظر الشكل 2B). خطوات 1.5.2-1.5.4 هي لبناء الشق، وعرض والتي يمكن ضبطها خلال قياس التصوير. إذا لم يكن هناك حاجة إلى ضبط العرض، مجرد تركيب شفرة شق ~ 10 سم المنبع من شعاع أيون من كاشف باستخدام أجزاء متزايدة مناسبة كما مخالب معدنية وانتقل إلى الخطوة 1.5.5.
    3. إرفاق قضيب الألومنيوم مدبب إلى الخطية feedthrough فراغ الحركة (ميكرون / مقرها الكير، حجم ICF70) وجبل حامل شق وقاعدة للطائرة الجانب فراغ من feedthrough.
    4. تثبيت وحدة شق شيدت فوق على منفذ فراغ ICF70 الذي هو عمودي على كل من محور كاشف وعلى محور رحلة أيون.
      ملاحظة: الموقف ~ 10 سم المنبع من شعاع أيون من مركز للكشف.
    5. تعيين عرض الشق إلى 1 ± 0.1 مم باستخدام ميكرومتر.
      ملاحظة: على سبيل المثال، استخدام فتحة 1 مم لل50-مم نيوتن المجال (أيون سحابة) يتوافق مع 2٪ تشريح، وهو أعلى في القرار من تقنية شريحة القياسية 22. يحدد عرض الشق القرار شريحة. ومع ذلك، بعرض أصغر تؤدي إلى الإشارات الضعيفة.
    6. تثبيت القطب مبيد الحشرات نابض من مستطيلة (115 مم × 160 مم × 3 مم) لوحة غير القابل للصدأ، كما في الشكل (2).
      ملاحظة: يجب أن يكون مبيد الحشرات نابض موازية للكشف عن لضمان تجانس الحقل الكهربائي نابض بينهما.
    7. تثبيت جهاز الكشف عن أيون موقف حساس تتألف من كومة من لوحات متناهية مدعومين بعدد الفوسفور بحيث يكون موازيا لمبيد الحشرات نابض. اتبع الإجراءات المعتمدة تصاعد 14، 23.
    8. تثبيت فراغ العرض محمولة على شفة مع طوقا النحاس إلى الجزء الخلفي من الشاشة الفوسفور.
  6. سلك البصريات أيون لإمدادات الطاقة عالية الجهد وأجزاء من DETEالمنشئ (مبيد نابض، لوحات متناهية، وشاشة الفوسفور) إلى نابض الإمدادات ذات الجهد العالي (~ 50 نانو ثانية ارتفاع الوقت / الخريف) عبر feedthroughs الحالية.
    يجب توخي الحذر لضمان أن أي الكابلات لا يقطع مراقبة الشاشة الفوسفور من خلال منفذ العرض: ملاحظة.
  7. ربط صمام نابض إلى مدخل الغاز (3٪ غاز N 2 في و، والضغط الكلي لل3 ميجا باسكال) مع أنبوب المقاوم للصدأ وإلى وحدة تحكم صمام مع زوج من الأسلاك النحاسية المغلفة.
    ملاحظة: كل من اتصالات تمر عبر feedthroughs فراغ.
  8. تحويل مضخات الفراغ على وتعيين ضغط من غرفة التصوير كاشف أقل من 10 -4 باسكال، حتى عندما يكون صمام نابض في العملية.
    ملاحظة: الضغط العالي قد يؤدي إلى تلف الكهربائي ذات الجهد العالي وأجهزة الكشف. عندما ضغط العالي، مضخات أكبر أو الحد من معدل تكرار صمام هو مطلوب. استخدام الغرفة الحالية وصمام نابض، شعاع النتروجين الجزيئي مع rotatiدرجة الحرارة اونال أقل من 6 K يمكن أن تتولد 11. عند هذه الدرجة التناوب، 99٪ من الجزيئات في ولاية J ≤ 2 (J هو عدد الكم التناوب).

2. بناء مضخة مسبار إعداد البصري

ملاحظة: للحصول على هذه الخطوة، انظر الشكل رقم 3 لفهم أين وكيف يتم تنفيذ الخطوات التالية من. والغرض من هذه الخطوة هو إنشاء ثلاثة خ البقول على خط واحد من تي التجاري: مكبر للصوت ليزر الياقوت لتجربة مضخة مسبار 11. كان النبض الأول للمحاذاة الجزيئية (المستقطبة خطيا، مركز الطول الموجي من 820 نانومتر، ذروة كثافة <30 TW / سم 2)، والثانية للسيطرة الاتجاه (تأخر طبق الأصل من أول واحد، باستثناء الاستقطاب الخطي +45 ° يميل من محور استقطاب النبض الأول)، وكان الثالث في كولوم انفجار التصوير التحقيق (الاستقطاب دائري، 407 نانومتر (1)، 00 خ م، 600 TW / سم 2). طوال هذه الخطوة، جميع أجزاء المتاحة تجاريا والمعدات، مثل المدقق الاستقطاب ومرحلة البصرية، وتركيبها واستخدامها وفقا لتعليمات الشركة الصانعة أو أدلة المستخدم.

ملاحظة: طوال هذه الخطوة، يتم تثبيت كافة المكونات البصرية واستخدامها وفقا للإجراءات القياسية من التجارب البصرية ودليل الشركة المصنعة للبصريات. كل المرايا تحول ومزدوج اللون المستخدمة هي المرايا المتعددة الطبقات العازلة لتجنب الليزر فقدان الطاقة خلال العديد من الأفكار في مسار بصري. وتظهر بعض البصريات والبلورات المستخدمة في قائمة المواد اللازمة لهذه المادة.

  1. تحويل (تي: الياقوت مكبر للصوت) الفيمتو ثانية ليزر النظام على والحصول على انتاج الليزر من أكثر من 1.5 ميغا جول / نبض، و~ 35 مدة خ م، مركز الطول الموجي 820 نانومتر، ومعدل تكرار 500 هرتز.
  2. إعداد مسار بصري من (التصوير) نبض التحقيقEF "> 10، 11، 12.
    1. تثبيت الكريستال غير الخطية (BBO، النوع الأول، وسمك 0.2 ملم، 29.2 °، للجيل الثاني متناسق من الضوء 820 نانومتر) في مسار بصري 820 نانومتر للحصول على التوافقيات الثانية (> 0.2 ميغا جول) من انتاج الليزر 820 نانومتر الأساسي. استخدام ولدت التوافقيات الثانية (407 نانومتر الخفيفة) باعتباره نبض التحقيق بعد ينعكس ذلك من خلال المرايا مزدوج اللون وفصلها عن الضوء الأساسي 820 نانومتر.
    2. بناء مسار بصري، كما يتضح من الخط الأزرق في الشكل (3). باستخدام شعاع التوجيه يتصاعد مرآة، تؤيد هذا الشعاع لتمرير من خلال مركز كل من ويندوز مثبتة في الخطوة 1.4.
      ملاحظة: وتتكون العناصر الرئيسية لالمخفف (مزيج من waveplate نصف والمستقطب)، مرحلة الخطية الآلية للمسح الضوئي تأخير، وwaveplates لضبط الاستقطاب.
  3. إعداد مسار بصري لمضخة (مثلا التناوبالاقتباس) البقول 24، 25، 26.
    1. بناء مسار بصري، كما يتضح من الخط الأحمر في الشكل (3)، والحصول على زوج من البقول خ زمنية والاستقطاب الانضباطي.
      ملاحظة: بقايا نبض 820 نانومتر (~ 1 ميغا جول) بعد الجيل الثاني التوافقي في خطوة 2.2.1، طرد من مرآة مزدوج اللون، يستخدم لإنشاء هذه النبضات مضخة. الطاقة نبض نموذجية من كل نبضة المضخة هو 0.25 ميغا جول. وتتكون العناصر الرئيسية من المخفف (مزيج من waveplate نصف والمستقطب)، شعاع الخائن 50:50، مرحلة خطية اليدوي لضبط التأخير الزمني، waveplates لضبط الاستقطاب، وتلسكوب لل-حجم البقعة تهيئة.
    2. عن طريق ضبط الميل لليتصاعد مرآة في مسار بصري، محاذاة زوج من الحزم مضخة لتكون موازية وجعل مركزها تمر من خلال مركز كل من ويندوز مثبتة في الخطوة 1.4.
      ملاحظة: للتحقق من هذا، لأداة المحاذاة، كتلة الألومنيوم مع ورقة الرسم البياني المرفق، يتم استخدام. يمكن وضع الأداة في نفس الموقف مع استنساخ عالية باستخدام حفرة استغلالها من جدول البصرية. ويتم اختيار اثنين من الثقوب المسمار في خط كدليل للمسار مواز. كما يتم وضع أداة المحاذاة في واحدة من الثقوب المحدد، يتم محاذاة الحزم بحيث تصل إلى نفس النقطة من أداة المحاذاة. تكرار المواقع من الأدوات ومحاذاة شعاع حتى شعاع يضرب نفس النقطة من أداة لكلا الموقفين الانحياز الأداة. لأن فتحات المسامير في الجدول البصرية تتماشى مع دقة عالية، هذه الإجراءات تؤدي إلى خلق الحزم المتوازية.
  4. ضبط الدول الاستقطاب من البقول.
    1. تثبيت المدقق الاستقطاب فقط قبل دخول نبضات الغرفة بحيث وصلت نبضات ليزر للكشف عن المدقق.
    2. ضبط زاوية waveplates باستخدام البصريات التناوب جبل في كل غروبمسار كال. الحصول على نبض الاستقطاب دائري التحقيق، ومستقطبة عموديا الأول نبض مضخة، والاستقطاب خطيا الثاني نبض مضخة. لمضخة الثانية، إمالة الطائرة الاستقطاب 45 درجة من تلك المضخة الأولى.
      ملاحظة: مع استخدام المدقق الاستقطاب، الدولة الاستقطاب من كل نبضة يمكن تصور مثل كثافة انتقال تعتمد على زاوية القطبية. للحصول على الاستقطاب الدائري، وضبط زاوية waveplate لتحقيق صورة الخواص، على سبيل المثال.
    3. إزالة المدقق الاستقطاب من مسار بصري.
      ملاحظة: المضخة الأولى يبادر-غير معرفة اتجاه دوران 4 و 9 و 10. في وقت محاذاة الجزيئية لحظية، وتألق المضخة الثانية لخلق عزم الدوران غير المتماثلة ولبدء دوران أحادي الاتجاه 12، 13. منذ نبض التحقيق الاستقطاب دائري بتأين عشرالجزيئات الإلكترونية دون تفضيل الزاوي في الطائرة الاستقطاب، وهي مناسبة لقياس التوزيع الزاوي.
  5. العثور على التداخل الزمني للكل نبضة.
    1. تثبيت الكريستال غير الخطية (BBO، سماكة 0.2 ملم، نوع 2، للجيل الثالث التوافقي للضوء 820 نانومتر)، نافذة البصرية له نفس سمك (3 مم) كمجموع من نافذة الغرفة (1 مم) وتركز عدسة محدبة، بلانو (2 مم)، والمنشور تشتت فقط قبل دخول نبضات الغرفة.
      ملاحظة: الإجراء العادي لتحديد الوقت صفر (التداخل الزمني للمضخة ونبض التحقيق) في التجربة مضخة مسبار هو الكشف عن استجابة غير الخطية، والذي لوحظ فقط عند كل المضخة ونبض التحقيق تتفاعل في وقت واحد مع وسيلة . هنا، والتداخل الزمني لجنة التحقيق نبض 407 نانومتر و 820 نانومتر مضخة النبض في البلورة غير الخطية يؤدي إلى جيل نانومتر 267. لدينا لتقدير التداخل الزمني للأشعة في فاغرفة cuum بينما يتم خطوة 2.5.1 من قبل دخول نبضات الغرفة (وعدسة التركيز وغرفة نافذة). لذلك، لتعويض التأخير الزمني الذي قدمه نافذة الغرفة وعدسة التركيز، يتم تثبيت نافذة بصري 3 ملم. اثنين من مضخات والتحقيق واحدة تمر من خلال النافذة ثم وضوح الشمس، وفرقوا في وقت لاحق من قبل المنشور. وضع ورقة بيضاء بعد منظار للكشف عن جيل من التوافقيات الثالثة 267 نانومتر كما مضان الأبيض والأزرق. وقد تم تثبيت جميع الأجزاء المذكورة على حامل بصري.
    2. منع خط ضخ 2 في الشكل (3) مع شاحنة قلابة شعاع.
    3. الضغط على زر الخطوة على وحدة تحكم المرحلة، مسح مرحلة الآلية وايجاد جيل نانومتر 267.
      ملاحظة: عندما يكون طول مسار بصري من المضخة والتحقيق النبضات هي نفسها خلال مدة نبضات الليزر، تظهر إشارة التوافقيات الثالثة و. ويعتبر هذا الموقف مرحلة من الوقت 0 خلالها كلا من المضخة والتحقيق تضرب في وقت واحد الجزيئات.
    4. كتلة مضخة 1 و مضخة إلغاء الحظر 2 (إزالة شاحنة قلابة شعاع).
    5. مسح على أساس ميكرون اليدوية مرحلة المثبتة في خط ضخ 2 والعثور على الموضع الذي يحدث انبعاث 267 نانومتر.
    6. إزالة الكريستال، ونافذة، ومنظور من الخط البصري.
      ملاحظة: في هذه المرحلة، وتتداخل النبضات ثلاثة مؤقتا في الشعاع الجزيئي ضمن المدد الليزر. القرار وقت الإعداد يمكن قياسها كما عبر الارتباط من خلال رصد والتآمر على الطاقة 267 نانومتر بينما يتم فحص مرحلة الآلية في مسار التحقيق. في الإعداد الحالي، العرض الكامل في نصف كحد أقصى للدالة الارتباط هو ~ 120 خ م. هو الأمثل لعرض النبضة للحصول على أعلى انتاج الطاقة من التوافقيات الثانية. بعد الجيل الثاني التوافقي، والنبضات تمر من خلال العدسات الزجاجية، waveplates، المرايا مزدوج اللون، المستقطبات، ونافذة الغرفة، مما يؤدي إلى غرد. لأن disper مجموعة من التأخيرسيون من المواد الموجودة في المنطقة 400 نانومتر هو أكبر بكثير مما كانت عليه في المنطقة 800 نانومتر، ونحن تقليل البصريات انتقال في مسار التحقيق. لتحسين دقة الوقت، إدارة التشتت، بما في ذلك نظام مرآة زقزق، سوف تكون مفيدة.

3. الإعداد لنظام القياس

ملاحظة: طوال هذه الخطوة، جميع أجزاء المتاحة تجاريا والمعدات، مثل امدادات الطاقة وتأخير المولدات الكهربائية، ويتم تثبيت واستخدامها وفقا لتعليمات الشركة الصانعة أو أدلة المستخدم.

  1. تزامن نبض
    1. تقسيم الناتج 80.8 ميغاهيرتز من مذبذب الفيمتو ثانية إلى 500 هرتز مع سريعة التردد المفرق، واستخدام هذا الناتج تقسيم لتحريك تأخير الرقمية مولد 1 ومكبر للصوت خ.
    2. استخدام واحدة من تأخر مخرجات تأخير مولد 1 كمحفز للصمام نابض.
      ملاحظة: الحد من معدل تكرار صمام للحفاظ على vacu مقبولالظروف أم (أقل من 10 -3 باسكال، على سبيل المثال). في هذه الحالة، فإننا تعيين القيمة إلى 250 هرتز.
    3. تثبيت الضوئي السريع مجهزة فلتر ناقل الحركة 400 نانومتر فقط بعد الحزم الخروج من الغرفة، واستخدام الناتج من هذا الصمام الثنائي بمثابة نقطة انطلاق لتأخير الرقمية مولد 2.
      ملاحظة: يستخدم نبض التحقيق باعتباره الأصل الوقت للإلكترونيات التصوير أيون.
    4. ربط ثلاثة مفاتيح الجهد العالي إلى تأخير الرقمية مولد 2 مع الكابلات المحورية.
  2. تحويل جميع إمدادات الطاقة عالية الجهد ومفاتيح جرا.
  3. زيادة الجهد على القيم المستهدفة.
    ملاحظة: تعتمد الفولتية الهدف على حجم الجهاز ونظام الفائدة. وتظهر القيم النموذجية في هذه القضية في التسمية التوضيحية الشكل 1. للحصول على صور غير مشوهة، صقل الفولتية التحيز مطلوب 13 (راجع الخطوة 4.1.7). والزيادة السريعة في قيمة الجهد قد يؤدي إلى تفريغأو الأضرار التي لحقت نظام الالكترونيات. ونحن نوصي بزيادة قدرها أقل من 100 فولت / ثانية من أجل التشغيل اليومي، وبزيادة قدرها 100 فولت / 300 ق لأول استخدام في فراغ.
  4. تركيب وضعية الكاميرا التصوير
    1. تثبيت كاميرا رقمية مجهزة عدسة الكاميرا و = 25 ملم على آخر الضوئية أمام منفذ العرض فراغ بتعيينه في الخطوة 1.5.5. تأكد من أن محور الكاميرا هو عمودي على سطح كاشف. لأن العرض هو عمودي على مستوى الأرض، واستخدام دليل منسوب المياه إلى محاذاة قاعدة الكاميرا أفقيا النسبية على الأرض.
      ملاحظة: التعديلات الجميلة للموقف تتم في خطوة لاحقة.
    2. تثبيت مروحة التبريد للكاميرا بحيث الريح يضرب الكاميرا من الخلف.
    3. تغطية المنطقة الواقعة بين عدسة الكاميرا والعرض فراغ مع ستارة بحيث ضوء غير مرغوب فيه، مثل إضاءة الغرفة المحيطة، لا يدخل الكاميرا.
    4. توصيل الكاميرا إلى الكمبيوترعن طريق منفذ USB 3.0.
    5. بدء برنامج حاسوبي لمراقبة الكاميرا وتعظيم الربح من الكاميرا عن طريق إدخال القيمة القصوى في قسم السيطرة من البرنامج.
    6. ضبط حجم الصورة إلى عادة 1200 س 750 بكسل.
      ملاحظة: على الرغم من أن أكبر حجم الصورة يؤدي إلى دقة أعلى ومعدل البيانات من منفذ USB 3.0 يحد من معدل الإطار المقبول. في الإعدادات الحالية، وأكثر من 250 إطارا في الثانية لا يمكن أن يتحقق، وهو معدل مرتفع بما فيه الكفاية للحصول على صورة لكل تحميل نبض الغاز (250 هرتز).
    7. بدء التقاط الصور مع الكاميرا بالضغط على زر "المسكة". ضبط يدويا موقف الكاميرا بحيث تكون الصورة وتغطي المنطقة بأكملها للكشف 2D. إصلاح الكاميرا جبل مع الترباس.
    8. من خلال رصد الصورة في الوقت الحقيقي القبض عليه، وضبط عصابة بؤرة العدسة الكاميرا بحيث يصبح مشرق حجم أيون بقعة الحد الأدنى.

4. القياسات

ملاحظة: لي طريقة asurement المستخدم هنا هو مجموعة من الإجراءات ذكرت 14، 27، وكذلك الإعداد والتصوير الحالي. طوال هذه الخطوة، جميع أجزاء المتاحة تجاريا والمعدات، مثل الالكترونيات عالية الجهد، وتركيبها واستخدامها وفقا لتعليمات الشركة الصانعة أو أدلة المستخدم.

  1. العثور على إشارة وتحسين إعدادات التصوير أيون
    1. منع البقول مضخة من النظام البصري مع شاحنة قلابة شعاع.
    2. في منتصف أولا والأقطاب الثانية للبصريات أيون، تثبيت عدسة محدبة، بلانو = 120 مم) لتركيز نبض التحقيق الليزر إلى الشعاع الجزيئي.
    3. ضبط الوقت من مفاتيح الجهد العالي (تأخير إخراج مولد الرقمية) إلى الوقت المقدر للوصول ن 2 + أيون، والذي يوفر أكبر كثافة إشارة تحت الحالية حالة الغاز 14،الصورة = "XREF"> 27.
      ملاحظة: الوقت وصول يمكن تقدير من التحيزات ايون البصريات وبعد الرحلة، جنبا إلى جنب مع نسبة الكتلة للالمسؤول عن الهدف أيون 28. خلاف ذلك، ومسح الوقت هو حل آخر للكشف عن إشارة.
    4. في حين رصد صورة أيون، وضبط الموقف عدسة مع مرحلة XYZ والوقت النبض الغاز (تأخير إخراج مولد الرقمي)، والاستحواذ على أكبر إشارة (ألمع وأكبر صورة).
    5. تغيير الوقت من مفاتيح الجهد العالي إلى كولوم انفجرت N 2+ قناة 14، 27.
      ملاحظة: نظرا لأن نسبة N 2+ الكتلة للشحنة هي أربع مرات أصغر من أن ن 2 ووقت وصول N 2+ تقريبا مرتين أسرع من N 2 +.
    6. خفض معدل الإطار الكاميرا إلى ~ 20 إطارا في الثانية، وزيادة وقت التعرض إلى 50 مللي ثانية.
      ملاحظة: مع هذاالإعداد، وتشمل صورة الكاميرا إشارة ل12 شحنة نبض الغاز. على الرغم من أن هذا يؤدي إلى تداخل لبعض العناصر، نستطيع أن نقيم بسهولة والتعرف على شكل تقريبي لتوزيع أيون.
    7. ضبط التحيز أيون البصرية بحيث يصبح توزيع أيون لاحظ القطع الناقص غير مشوهة.
      ملاحظة: تقليل الفرق بين التحيز الأولى والثانية أقطاب النتائج في استطالة من الاتجاه الرأسي (محور البصريات أيون) في الترتيب الحالي 29 و 30. تستخدم البصريات الثالثة أو في وقت لاحق لتعديل غرامة من شكل. تشويه القطع الناقص يحط القرار الزاوي بناؤها من الصورة.
  2. العثور على مضخة مسبار التداخل المكاني
    1. الافراج عن مضخة 1، وإزالة شاحنة قلابة شعاع، ولكن يبقى مضخة 2 المحظورة.
    2. ضبط تلسكوب لتحديد الخصر شعاع من نبض مضخة في الشعاع الجزيئي.
      ملاحظة: لا تشانجى موقف عدسة التركيز أمام نافذة غرفة، والذي هو الأمثل لنبض التحقيق.
      ملاحظة: هذا الإجراء يمكن أن يتحقق عن طريق عكس أشعة الليزر إلى مساحة حرة تحت الضغط الجوي فقط قبل أن تدخل إلى غرفة فراغ. من خلال قياس البعد البؤري للعدسة نفسه المدخل، التلسكوب يمكن أن يكون الأمثل.
    3. بعناية ضبط الموقف بقعة شعاع مضخة مع عالية الدقة مرآة جبل 1 (الشكل 2)، والعثور على إشارة معززة في صورة أيونات نظرا للتداخل مضخة التحقيق. قبل أو بعد ذلك، مجموعة تي إلى ~ 4 ملاحظة عن طريق تحريك المرحلة تأخير 600 ميكرون إلى الأمام. العثور على صورة متباين الخواص بقوة على طول الاستقطاب مضخة 1.
      ملاحظة: نظرا لأن التداخل وقت الأمثل تقريبا في الخطوة 2.5، إلا أن التداخل المكاني لا بد من ضبطها. إذا عرفت ثابت أو حزمة الموجة ديناميكا الحركة الدورانية لجزيء الهدف، خيار بديل هو تعيين تأخير التحقيق إلى instantaneouحان الوقت محاذاة الجزيئية. على سبيل المثال، يمكن أن تحدث في Δ ر ~ 1/2 حيث Δ تي هو الفرق الزمني بين المضخة والتحقيق نبض و B هو ثابت التناوب في هرتز 10 و 11. لN ~ 8.3 ملاحظة. في مثل هذا الوقت، والتداخل المكاني مضخة مسبار يؤدي إلى توزيع أيون تبين الحد الأقصى في اتجاه مضخة الاستقطاب (العمودي في هذه الحالة) والحد الأدنى في المحور العمودي. فمن السهل أن تجد مثل هذا التوقيع المحاذاة مقارنة مع تعزيز الإجمالي التي تم الحصول عليها في Δ ر ~ 0. وفيما يتعلق المتغيرة للر Δ، لاحظ أنه وفقا لسرعة الضوء، حركة 5 ميكرون المرحلة يناظر ~ 33،356 خ.
    4. كتلة مضخة 1 و مضخة إلغاء الحظر 2.
    5. كرر الخطوة 4.2.3 لمضخة 2. البحث عن تداخل مضخة مسبار لمضخة 2 عن طريق تعديل عالية الدقة مرآة جبل 2 (الشكل 2) مع الحفاظمسار بصري مضخة 1 دون تغيير.
      ملاحظة: تأكد من أن الاستقطاب من 2 مضخة مائلا بحيث لوحظ محاذاة على طول اتجاه منحرف عندما يتم ضبط الوقت إلى الوقت المحاذاة.
  3. لفترة وجيزة مراقبة ديناميات دوران أحادي الاتجاه
    1. الافراج عن مضخة 1. تعيين التأخير الزمني بين مضخات 1 و 2 إلى الوقت محاذاة (على سبيل المثال، 4.0 ملاحظة عن حالة N 2 10، 11) مع تأخير اليدوي المرحلة 1 في الشكل 2.
    2. تحقق لتحديد ما إذا كان دوران أحادي الاتجاه يمكن التعرف من صور الكاميرا كما يتم فحص تأخير التحقيق (مع مرحلة الآلية أو اليدوية).
      ملاحظة: عندما يتم إنجاز جميع الإجراءات المذكورة أعلاه بشكل جيد، يمكن للمرء أن يرى الصور التي ألمع المنطقة تدور بسلاسة في اتجاه واحد كما هو تفحص تأخير التحقيق. إذا لا يمكن أن ينظر إلى مثل هذا الفيلم، كرر بعناية خطوات 4،1-4،2. تأثير الانجراف من المرجعيتصاعد tical يحط أحيانا التداخل شعاع.
      ملاحظة: وفقا لسرعة الضوء، حركة 5 ميكرون المرحلة يناظر ~ 33،356 خ. لأغراض مجرد الرصد، والإجراءات المذكورة أعلاه كافية. لتسجيل وتحليل مفصل للحركة، انتقل إلى الخطوات التالية.
  4. قياسات الإعداد
    1. زيادة معدل الإطار الكاميرا إلى 250 إطارا في الثانية وتقليل زمن التعرض إلى ~ 4 مللي ثانية.
      ملاحظة: واحد إطار الكاميرا يتوافق مع صورة ليزر واحد نبض طلقة / الغاز التحميل.
    2. بدء تشغيل البرنامج القياس، التي تسيطر على الصكوك، ويلتقط الصور، ويحلل ويتصور البيانات.
    3. انقر على زر تنفيذ والتقاط الصور 1000 وفي الوقت نفسه يمنع الحزم مضخة.
    4. تناسب عدديا الصورة لخص مع القطع الناقص والحصول على ε الإهليليجية ومركز القطع الناقص ذ 0).
      ملاحظة: عندما يكون صورة هكتار الخامق القطع الناقص أكثر من واحد ويرجع ذلك إلى عدة قنوات الانفجار كولومب، والحد من المنطقة من اهتمام واستخدام واحدة من علامات الحذف فقط.
    5. التقاط الصور 100000 وفي الوقت نفسه يمنع الحزم مضخة واستخدام الصورة التي تم الحصول عليها كمرجع مسبار الوحيد.
      ملاحظة: نسبة الإشارة إلى الضوضاء للصورة إشارة مسبار الوحيد يؤثر على نوعية التوزيع الزاوي. لذلك، يتم أخذ القياسات طويلة نسبيا (~ 400 ق) لهذه الخطوة.
  5. أخذ فيلم الدوران الجزيئي أحادي الاتجاه
    1. إلغاء حظر الحزم مضخة.
    2. ضبط الوقت مسبار إلى قيمة سالبة ~ -100 خ م، أي قبل الحزم مضخة).
    3. بدء حلقة القياس، بما في ذلك الخطوات التالية
      1. التقاط صورة. العثور على كتلة مركز من بين تنسق كل بقعة أيون مشرق، وbinarize الصورة عن طريق تعيين "1" إلى مركز الإحداثيات كتلة و"0" إلى بكسل الأخرى 27
      2. خلاصة القول الصور binarized ل 10،000 إطارات الكاميرا من خلال وضع "عدد الصور" مربع الإدخال من البرنامج إلى 10،000.
        ملاحظة: لتجنب تأثير التشبع، تعيين عمق صورة صورة لخص إلى 16 بت.
      3. تحويل الكاميرا تنسيق (س، ص) إلى القطب تنسيق باستخدام الإهليليجية ε تحديدها في الخطوة 4.4.4.
        ملاحظة: تم الانتهاء من هذه العملية على النحو التالي: في المنطقة بيضاوي الشكل من الفائدة، وجميع الإحداثيات بكسل (س، ص) وتحويلها إلى الإحداثيات القطبية النسبية Φ باستخدام المعادلة التالية:
        المعادلة 1
        ملاحظة: هذه الخطوة ما يعادل التوسع الصورة في الاتجاه الرأسي عند تحويل القطع الناقص إلى دائرة.
      4. تحويل الصورة التي تم الحصول عليها لمؤامرة القطبية التي يتم رسم شدة إشارة تعتمد الزاوي، والمسافة من الأصل.
        ملاحظة: ANGLيتم احتساب الإلكترونية التي تعتمد على احتمال P (Φ) باستخدام المعادلة التالية:

        المعادلة 2
      5. تطبيع مؤامرة القطبية، وتقسيم من قبل أن من الإشارة مسبار الوحيد.
        ملاحظة: هذه الخطوة معايرة كل من الاستقطاب الدائري كاملة من نبض التحقيق والتجانس للكشف التصوير.
      6. نقل الوقت إلى الأمام التحقيق التي كتبها ~ 33،356 خ.
        ملاحظة: تحول 33.356-خ م من الساعة التحقيق يناظر حركة 5 ميكرون المرحلة الخطية الآلية.
    4. تستمر الحلقة حتى واحد على الأقل فترة التناوب الإحياء، 1/2 ب (~ 8.3 ملاحظة لN 2)، يتم تمريرها بعد الوقت مضخة 2.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

ويبين الشكل 4A صورة الخام التحقيق الوحيد للN 2+ أيون طرد على تحقيق إشعاع (انفجار كولوم)، التي اتخذت لاطلاق النار ليزر التحقيق واحدا. كل بقعة مشرقة يناظر أيون واحد. ويبين الشكل 4B صورة لخص 10،000 binarized صور الكاميرا الخام. وتظهر هذه الصور التي الإعداد والتصوير لدينا يمكن رصد جزيئات من جميع الزوايا التوجه في الطائرة الاستقطاب. ويبين الشكل 4C مؤامرة القطبية تطبيع في المقابل الى ان من الشكل 4B. لأن نبض مراقبة التناوب (مضخة) كان غائبا، وتوزيع موحد الخواص (يبين الشكل 4C دائرة).

في الشكل 4B، عيب صغير يرجع إلى الكشف عن التجانس يمكن أن ينظر في الجزء السفلي من القطع الناقص. يبدو مثل هذا الخلل دائما في نفس الموضع من الصورة. وبالتالي، فإنه جويتم تعويضهم عن طريق تطبيع الصور الملحوظة مع صورة مسبار الوحيد (الخطوة 4.5.3.7).

يبين الشكل 5 لقطات اتخذت بعد التشعيع من البقول مضخة اثنين المحدد. وذلك لتحسين الفهم، وليس فقط الصور أيون المرصودة، ولكنها أيضا تظهر المؤامرات القطبية المقابلة و "الدمبل" الصور نموذج بوصفها وظيفة من الزمن التحقيق. يتم إنشاء المؤامرات القطبية في خطوة 4.5.3.5. الصورة الدمبل هي صورة المتراكبة من الدمبل من زوايا مختلفة التوجه، وأوزانها (التعتيم) هي الاحتمالات الزاوي المرصودة. تسلسل الصور يشكل الفيلم واضح للدوران الجزيئي أحادي الاتجاه. يمكن أن ينظر إلى الطبيعة الموجية للحركة مثل الهياكل العقدي معقدة والتشتت، بما في ذلك "X" تشكيل، الشكل.

ويبين الشكل 6 صورة أيون التي اتخذت مع فتحة التالفة وا ف بhotograph من حافة فتحة مع دنت. عيب صغير يؤثر إلى حد كبير صورة المرصودة. في مثل هذه الحالة، يتعين تكرار الخطوة 1.5. وتناقش هذه الحقيقة أيضا في قسم المناقشة.

ويبين الشكل 7 صورة الكاميرا الخام في ضخ مسبار حالة التداخل الأمثل. من خلال رصد هذه إشارة شعاع التداخل، ومسارات البصرية يمكن أن يكون الأمثل. وهذا يؤدي إلى فيلم واضح، كما في الشكل (5).

شكل 1
الشكل 1: الرسم المفاهيمي من زوايا الكاميرا في تكوينات غير عملية، نموذجية، والجديدة. في زاوية الكاميرا نموذجية، يتم تثبيت جهاز كشف لتجنب التعرض ليزر، ولكن زوايا طرد أيونات لا يمكن بناؤها من صورة 2D المتوقعة. في الوقت الحاضر، وزاوية الكاميرا الجديدة، الطائرة التناوب (polarizat الليزرأيون الطائرة) موازية للسطح كاشف، وبالتالي هي مناسبة لتصور الحركة الدورانية. الفولتية التحيز النموذجية هي 2500 V، 1799 V، 1846 V، 253 V، 0 V، 3500 V، -800 V، و 4،500 الخامس للبصريات أيون 1، 2، 3، 4، و 5، ومبيد الحشرات نابض، لوحات متناهية ، وشاشة الفوسفور، على التوالي. يبدأ الترقيم ايون البصريات في القطب السفلي. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2
الشكل 2: الرسوم التخطيطية للوحدة 2D التصوير. (A) رسم تخطيطي للجمعية كاشف. صفيحة دائرة ملونة باللون البرتقالي هو اللوح الأساس الذي تقام أجزاء أخرى مع المسامير. (ب) رسم تخطيطي للجمعية الشق. الصورة الصحيحة يفسر حركة الشق. قيم حجم هي في ملم. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (3)
الشكل 3: رسم تخطيطي من الإعداد البصرية الحالي مضخة التحقيق. وتتضح المسارات الضوئية من النبضات مضخة لإثارة التناوب التي كتبها الخطوط الحمراء، في حين أن من (التصوير) نبض التحقيق هو واضح من الخط الأزرق. مؤتمر العمل النيجيري، وضوح الشمس غير الخطية للالجيل الثاني التوافقي. منتجات الخشب المقطوع، نصف waveplate؛ QWP، ربع waveplate. DM، مرآة مزدوج اللون. BS، 50:50 شعاع الخائن. إدارة الموارد البشرية: عالية الدقة مرآة جبل. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

ithin الصفحات = "1"> الشكل (4)
الشكل 4: الخام وتحليلها كولوم انفجرت الصور أيون. (أ) صورة الخام النموذجية ن 2+ اتخذت لاطلاق النار التحقيق واحدا. (ب) صورة تتلخص ل 10،000 صور الكاميرا binarized. حجم صورة الكاميرا هو 1200 X 750 بكسل. حجم الفضاء الحقيقي الموافق 80 ملم × 50 ملم. (C) ومؤامرة القطبية تطبيع شيدت من الصورة لخص. في الصور الخام ولخص، تم إضافة اللون كاذبة لإظهار شدة إشارة. وتظهر الزوايا القطبية في درجة على طول محيط. قيمة شعاعي هو احتمال تعتمد على زاوية (وحدة تعسفية). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

4917fig5.jpg "/>
الشكل (5): لقطات مختارة من موجة التناوب ديناميات حزمة الليزر التي يسببها. في كل تأخير الوقت، تظهر لوحة العليا الصورة أيون التي تم تحويلها على شكل بيضاوي الشكل إلى دائرة. تظهر لوحة المتوسطة مؤامرة القطبية المقابلة. تظهر لوحة أسفل نموذج الدمبل توزيع الزاوي. هذه الصورة الدمبل هي صورة المتراكبة من الدمبل من زوايا مختلفة التوجه، وأوزانها (التعتيم) هي الاحتمالات الزاوي المرصودة. تستخدم مؤامرة القطبية الوحدة نفسها وعلى نطاق وكما في الشكل (4). صورة أيون توظف الإحداثيات تحولت، كما في الخطوة 4.5.3.4. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (6)
الشكل (6):تأثير الخلل شق على صورة أيون التجريبية. (A) لاحظ التحقيق فقط N 2+ صورة أيون التي اتخذت مع فتحة التالفة. (ب) صورة من حافة شق وجود عراقيل الفرعية ملم. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 7
الرقم 7: صورة الكاميرا الخام في ضخ مسبار حالة التداخل الأمثل. يتم تعيين وقت التحقيق في تي = 4.0 ملاحظة بعد أول إشعاع مضخة النبض. في هذا الوقت، يتم تحقيق أقصى درجة من التوافق الجزيئية. حجم صورة الكاميرا هو 1200 X 750 بكسل. حجم الفضاء الحقيقي الموافق 80 ملم × 50 ملم. من فضلك اضغطهنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

الإجراء الحالي تمكننا من التقاط فيلم في الوقت الحقيقي من دوران الجزيئي مع إعداد 2D التصوير القائم على الشق. لأن أيونات احظ تمر عبر فتحة، خطوة 1.5 هي واحدة من الخطوات الحاسمة. يجب أن تكون حواف ريش فتحة حاد. عندما يكون هناك خلل صغير، مثل دنت 0.3 ملم في الشق، لوحظ الصفر في صورة أيون (الشكل 6). في مثل هذه الحالة، يجب أن تكون مصقولة شفرة شق مع 2000 حصى ورق زجاج الرطب.

وبصرف النظر عن زاوية الكاميرا الفريدة هو مبين في الشكل 1، وهذه الطريقة لها مزايا عديدة للكشف عن التصوير 3D، التي كانت في السابق الحل الوحيد لموجة التناوب التصوير الحزمة.

أولا، في الإجراء الحالي، يمكن أن يتم محاذاة شعاع البصرية خارج بسهولة من خلال رصد الصور أيون الخام، كما هو الحال في الخطوات 4،1-4،2. ويبين الشكل 7 صورة الكاميرا الخام في ضخ مسبار حالة التداخل الأمثل. عندما عوخسر الحزب الحاكم مسبار شعاع التداخل، متباين الخواص أو لا يمكن أن ينظر إلى تعزيز التوقيعات صورة، كما في الشكل 4A. ويؤكد هذه الحقيقة أهمية الخطوات 4،1-4،2 في هذا الأسلوب. لأن أحجام بقعة من المضخة والتحقيق الحزم هي في حدود 10 ميكرون، وهو بشكل عام من الصعب العثور على شرط التداخل المثلى دون مراقبة الصور في الوقت الحقيقي. في حالة وجود كاشف 3D التصوير، مطلوبة عدة ثوان لتشكيل صورة مع نقاط بيانات كافية (1000 ما لا يقل عن الأيونات) عندما تستخدم طائفة هرتز 1000 أو أقل ليزر معدل التكرار، لأن معدل العد يقتصر على عدد قليل من الأحداث في الليزر برصاصة في كشف 3D. في هذا الأسلوب، من ناحية أخرى، فإن معدل عدد غير محدود أساسا، ويمكن زيادة عدد الأيونات في إطار ببساطة عن طريق تمديد فترة التعرض. في هذه الحالة، يتم الكشف عن أكثر من 1000 أيونات في الوقت تعرض 50 مللي ثانية.

يؤدي معدل عدد كبير من الطريقة الحالية أيضا لأقصر وقت الحصول على البيانات. لأن معدل الإطار الكاميرا هو 250 إطارا في الثانية، إلا أنها تأخذ ~ 40 ق لأخذ لقطة واحدة من حركة الجزيئات في وقت معين. لقياس مدى الجزيئي مرة واحدة إحياء التناوب (~ 8.4 PS) مع خطوة ~ 33-خ، وقياس الوقت ليست سوى بضع ساعات. وهذه ميزة أخرى، لأن من شأنه أن يتحلل البيانات التجريبية التي الاستقرار طويل الأجل محدود من أجهزة الليزر والإعداد التجريبية بأكمله. في الإعداد لدينا، على سبيل المثال، تغيير المدة الزمنية مع مرور الوقت، ويرجع ذلك جزئيا إلى التغير في درجة الحرارة في مكبر للصوت خ. أسفر التغيير 3-K في غضون 6 ساعات في التمدد الحراري للمكبر للصوت، بما في ذلك استطالة للمسافة بين حواجز شبكية نبض ضاغط، مما يؤدي إلى إطالة مدة النبضة 31. شعاع الليزر الانجراف، الذي يحط من قدر إشارة لديناميات الناجم عن مضخة، تم الكشف أيضا داخل ~ 8 ساعات، على الرغم من أنه لم يتم التعرف على مصدر هذا الانحراف.

ر "> هذه التقنية الحالية هي عبارة عن نوع من التصوير 2D، مما يحد من المعلومات في 3D. وفي حالة انفجار كولوم، إلا أن جزء من أيونات طرد في الطائرة كشف يسهم في الصورة. وهذا يعني أنه من الصعب تطبيق الأسلوب الحالي مباشرة إلى عمليات تجزئة معقدة، مثل تلك التي تشارك في التصوير صدفة يدرس 25، 32، 33. ونلاحظ أن مجموع قوة إشارة مع أسلوبنا يتناسب مع احتمال في الطائرة الكشف. وهذا يمثل المعلومات غير المباشرة على البعد غير المدرجة في الطائرة التصوير 11 و 12.

بينما نحن نركز على كولوم التصوير انفجار في هذه الورقة، يمكن أن النهج الحالي أن يكون، من حيث المبدأ، وتطبيقها على العام التصوير اتهم الجسيمات، مثل تلك التي تشارك في الإنحلال الضوئي يدرس 14. في الإجراء التصوير الحالية، للحصول على صورة مقطعية 2D لكرة 3D نيوتن من الجسيمات المشحونة، يجب أن يكون استقطاب الضوء موازية لسطح كاشف. وبعبارة أخرى، يقتصر زاوية الكاميرا لظروف معينة. أيضا، في تقنية التصوير 2D الحالية، وشرائح سحابة أيون 3D مكانيا لقطع 2D ومن ثم يتم تصويرها. مع هذا التصوير شريحة، وحرية زاوية الكاميرا فتح الطريق للحصول على معلومات حتى الآن، غير ملحوظة التي تظهر أحيانا في اتجاه انتشار الليزر 26، 34.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
CMOS camera Toshiba TELI BU-238M-ES equipped with SONY IMX174 sensor
High voltage switch Behlke HTS-41-03-GSM
High voltage switch Behlke HTS-80-03
Digital delay generator Stanford research systems DG535
Digital delay generator Stanford research systems DG645
Microchannel plate Photonis 3075
Pulsed valve LAMID LTD Even-Lavie valve  High repetition, room temperature model
Molecular beam skimmers Institute for Molecular Science 13C11 3 and 1.5 mm center hole, 25 degrees full inner angle, and ~50 mm length
Optical Comparator Nikon V-24B
DPSS laser Lighthouse Photonics Sprout
Femtosecond Ti:Sapphire oscillator KMLabs Halcyon
Femtosecond Ti:Sapphire amplifier Quantronix Odin-II HE
Motorized linear stage Sigma Koki KST(GS)-100X
Manual X-stage Sigma Koki TSD-601S
High resolution mirror mount Newport Suprema SX100-F2KN-254
High resolution mirror mount LIOP-TEC GmbH SR100-100R-2-HS
Polarization checker Paradigm Devices, Inc. O-tool VIS
Instrument communication interface National Instruments NI-MAX
Graphical development environment for measurement programs National Instruments LabVIEW 2014
Laser line dielectric mirror CVI/LEO TLM2-400/800-45UNP
Laser line dielectric mirror Altechna Low GDD Ultrafast mirror
Laser line dielectric mirror Altechna Low GDD Ultrafast mirror
Femtosecond polarizer Advanced Thin Films PBS-GVD

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Stapelfeldt, H., Constant, E., Sakai, H., Corkum, P. B. Time-resolved Coulomb explosion imaging: A method to measure structure and dynamics of molecular nuclear wave packets. Phys. Rev. A. 58, 426-433 (1998).
  2. Hishikawa, A., Matsuda, A., Fushitani, M., Takahashi, E. J. Visualizing Recurrently Migrating Hydrogen in Acetylene Dication by Intense Ultrashort Laser Pulses. Phys. Rev. Lett. 99, 258302 (2007).
  3. Légaré, F., et al. Laser Coulomb-explosion imaging of small molecules. Phys. Rev. A. 71, 013415 (2005).
  4. Stapelfeldt, H., Seideman, T. Colloquium: Aligning molecules with strong laser pulses. Rev. Mod. Phys. 75, 543-557 (2003).
  5. Ohshima, Y., Hasegawa, H. Coherent rotational excitation by intense nonresonant laser fields. Int. Rev. Phys. Chem. 29, 619-663 (2010).
  6. Kitano, K., Hasegawa, H., Ohshima, Y. Ultrafast Angular Momentum Orientation by Linearly Polarized Laser Fields. Phys. Rev. Lett. 103, 223002 (2009).
  7. Fleischer, S., Khodorkovsky, Y., Prior, Y., Averbukh, I. S. Controlling the sense of molecular rotation. New J. Phys. 11, 105039 (2009).
  8. Korobenko, A., Milner, A. A., Milner, V. Direct Observation, Study, and Control of Molecular Superrotors. Phys. Rev. Lett. 112, 113004 (2014).
  9. Rosca-Pruna, F., Vrakking, M. J. J. Revival structures in picosecond laser-induced alignment of I2 molecules. I. Experimental results. J. Chem. Phys. 116, 6567-6578 (2002).
  10. Dooley, P. W., et al. Direct imaging of rotational wave-packet dynamics of diatomic molecules. Phys. Rev. A. 68, 023406 (2003).
  11. Mizuse, K., Kitano, K., Hasegawa, H., Ohshima, Y. Quantum unidirectional rotation directly imaged with molecules. Sci. Adv. 1, 1400185 (2015).
  12. Lin, K., et al. Visualizing molecular unidirectional rotation. Phys. Rev. A. 92, 013410 (2015).
  13. Korobenko, A., Hepburn, J. W., Milner, V. Observation of nondispersing classical-like molecular rotation. Phys. Chem. Chem. Phys. 17, 951-956 (2015).
  14. Whitaker, B. J. Imaging in Molecular Dynamics. Cambridge University Press. (2003).
  15. Ullrich, J., et al. Recoil-ion and electron momentum spectroscopy: reaction-microscopes. Rep. Prog. Phys. 66, 1463 (2003).
  16. Lee, S. K., et al. Coincidence ion imaging with a fast frame camera. Rev Sci Instrum. 85, 123303 (2014).
  17. Lee, S. K., et al. Communication: Time- and space-sliced velocity map electron imaging. J. Chem. Phys. 141, 221101 (2014).
  18. John, J. J., et al. PImMS, a fast event-triggered monolithic pixel detector with storage of multiple timestamps. Journal of Instrumentation. 7, 8001 (2012).
  19. Nomerotski, A., et al. Pixel Imaging Mass Spectrometry with fast and intelligent Pixel detectors. Journal of Instrumentation. 5, 07007 (2010).
  20. Luria, K., Christen, W., Even, U. Generation and Propagation of Intense Supersonic Beams. J. Phys. Chem. A. 115, 7362-7367 (2011).
  21. Eppink, A. T. J. B., Parker, D. H. Velocity map imaging of ions and electrons using electrostatic lenses: Application in photoelectron and photofragment ion imaging of molecular oxygen. Rev. Sci. Instrum. 68, 3477-3484 (1997).
  22. Gebhardt, C. R., Rakitzis, T. P., Samartzis, P. C., Ladopoulos, V., Kitsopoulos, T. N. Slice imaging: A new approach to ion imaging and velocity mapping. Rev. Sci. Instrum. 72, 3848 (2001).
  23. Stöhr, J. NEXAFS Spectroscopy. Springer. 132 (1992).
  24. Siders, C. W., Siders, J. L. W., Taylor, A. J., Park, S. -G., Weiner, A. M. Efficient High-Energy Pulse-Train Generation Using a 2 n-Pulse Michelson Interferometer. Appl. Opt. 37, 5302-5305 (1998).
  25. Pitzer, M., et al. Direct Determination of Absolute Molecular Stereochemistry in Gas Phase by Coulomb Explosion Imaging. Science. 341, 1096-1100 (2013).
  26. Rakitzis, T. P., Samartzis, P. C., Kitsopoulos, T. N. Observing the symmetry breaking in the angular distributions of oriented photofragments using velocity mapping. J. Chem. Phys. 111, 10415 (1999).
  27. Chang, B. -Y., Hoetzlein, R. C., Mueller, J. A., Geiser, J. D., Houston, P. L. Improved two-dimensional product imaging: The real-time ion-counting method. Rev. Sci. Instrum. 69, 1665 (1998).
  28. Wiley, W. C., McLaren, I. H. Time-of-Flight Mass Spectrometer with Improved Resolution. Rev. Sci. Instrum. 26, 1150 (1955).
  29. Townsend, D., Minitti, M. P., Suits, A. G. Direct current slice imaging. Rev. Sci. Instrum. 74, 2530 (2003).
  30. Wu, G., et al. A new crossed molecular beam apparatus using time-sliced ion velocity imaging technique. Rev. Sci. Instrum. 79, 094104 (2008).
  31. Treacy, E. Optical pulse compression with diffraction gratings. Quantum Electronics, IEEE Journal of. 5, 454-458 (1969).
  32. Dörner, R., et al. Cold Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy: a 'momentum microscope' to view atomic collision dynamics. Physics Reports. 330, 95-192 (2000).
  33. Herwig, P., et al. Imaging the Absolute Configuration of a Chiral Epoxide in the Gas Phase. Science. 342, 1084-1086 (2013).
  34. Suzuki, Y. -I., Suzuki, T. Linear and circular dichroism in photoelectron angular distributions caused by electron correlation. Phys. Rev. A. 91, 053413 (2015).
التصوير المباشر مدفوعة الليزر فائق السرعة الجزيئية دوران
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Mizuse, K., Fujimoto, R., Mizutani, N., Ohshima, Y. Direct Imaging of Laser-driven Ultrafast Molecular Rotation. J. Vis. Exp. (120), e54917, doi:10.3791/54917 (2017).More

Mizuse, K., Fujimoto, R., Mizutani, N., Ohshima, Y. Direct Imaging of Laser-driven Ultrafast Molecular Rotation. J. Vis. Exp. (120), e54917, doi:10.3791/54917 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter