Waiting
Login processing...

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

Chemistry

הדמיה ישירה של סיבוב מולקולרי מהיר ליזר מונחה

doi: 10.3791/54917 Published: February 4, 2017

Abstract

אנו מציגים שיטה המאפשר הדמיה נגרמת ליזר, דינמיקת מנות גל סיבוב מולקולרית מהירה. פתחנו התקנת הדמית 2-ממד קולון פיצוץ חדשה שבו זווית מצלמה כה-מעשית מתממשת. בטכניקת ההדמיה שלנו, מולקולה דו-אטומיים הם מוקרנות עם דופק ליזר חזק מעגלי מקוטב. היונים אטומי נפלט מואצים בניצב התפשטות לייזר. היונים שוכבים מטוס קיטוב ליזר נבחרים באמצעות חריץ מכאני צלמו עם תפוקה גבוהה, גלאי 2 ממדי מותקן במקביל למישור הקיטוב. מאחר מקוטב מעגלי (איזוטרופיים) דופק מתפוצץ קולון משמש, חלוקת זוויתי הנצפה של היונים הנפלטים תואמת ישירות פונקציית גל סיבוב בריבוע בעת ההקרנה הדופקת. כדי ליצור סרט בזמן אמת של סיבוב מולקולרי, טכניקת הצילום הנוכחית בשילוב עם o משאבה-בדיקת femtosecondהתקנת ptical שבו פולסים המשאבה ליצור בכיוון אחד מסתובבים הרכבים מולקולריים. בשל תפוקת תמונה הגבוהה של מערכת זיהוי שלנו, את תנאי ניסוי-חללית משאבה יכולים להיות מותאמים בקלות על ידי ניטור תמונת מצב בזמן אמת. כתוצאה מכך, איכות הסרט שנצפה היא גבוהה מספיק לדמיין את טבע הגל המפורט של תנועה. אנחנו גם לציין כי הטכניקה הנוכחית יכולה להיות מיושמת setups הדמית יון קיים סטנדרטי, מציעה זווית מצלמה חדשה או נקודת מבט של מערכות המולקולריות ללא צורך שינוי נרחב.

Introduction

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

עבור הבנה עמוקה יותר ושימוש טוב יותר של האופי הדינמי של מולקולות, זה הכרחי כדי לחזות תנועות מולקולריות בבירור עניין. הדמית פיצוץ קולון זמן נפתר היא אחת גישות עצמה כדי להשיג מטרה זו 1, 2, 3. לפי גישה זו, הדינמיקה המולקולרית של עניין נעשית ביוזמת שדה ליזר אולטרה קצר משאבה והם נחקרים מכן על ידי דופק בדיקה-מתעכב זמן. לאחר הקרנת חללית, מולקולות מיוננות מתרבות נפרצו יונים שברים עקב דחיית קולון. ההתפלגות המרחבית של היונים הנפלטים הוא מדד של המבנה המולקולרי והתמצאות מרחבית על הקרנת החללית. רצף של מדידת סריקת זמן השהית משאבה-בדיקה מובילה ליצירת סרט מולקולרי. ראוי לציין כי עבור המקרה הפשוט ביותר - מולקולה דו-אטומית - חלוקת הזוויתית של יונים נפלטישירות משקף את חלוקת הציר המולקולרית (כלומר, פונקציית גל הסיבוב בריבוע).

באשר לתהליך המשאבה, ההתקדמות האחרונה בבקרה קוהרנטית של תנועה מולקולרית באמצעות שדות ליזר אולטרה קצרים הובילה ליצירתו של חבילת גלי סיבוב מבוקרת מאוד 4, 5. יתר על כן, כיוון הסיבוב יכול להיות נשלט באופן פעיל באמצעות שדה ליזר שבשליטת קיטוב 6, 7, 8. בהתאם לכך, כבר היה לצפות כי תמונה מפורטת של סיבוב מולקולרי, כוללים טבע גל, יכולה להיות מדמיינות כאשר טכניקת דימות פיצוץ קולון בשילוב עם תהליך משאבה כגון 9, 10, 11, 12, 13. עם זאת, אנחנו קצתפעמים נתקלות בקשיי ניסוי קשורים שיטות ההדמיה הקיימות, כאמור להלן. מטרת מאמר זה היא להציג דרך חדשה להתגבר על קשיים אלו ושל יצירת סרט באיכות גבוהה של חבילת גלי סיבוב מולקולרית. הסרט הניסיוני הראשון של סיבוב מולקולרי שצולם עם השיטה הנוכחית, יחד עם ההשלכות הפיזיות שלו, הוצגו במאמר הקודם שלנו 11. הרקע של פיתוח, ההיבט התיאורטי המפורט של טכניקת ההדמיה הנוכחית, וכן השוואה עם טכניקות קיימות אחרות יינתנו בתוך נייר קרוב. הנה, אנחנו בעיקר נתמקד בהיבטים המעשיים וטכניים של ההליך, כוללים שילוב של ההתקנה האופטית משאבה-הבדיקה טיפוס מנגנון ההדמיה החדש. כמו במאמר הקודם, מערכת היעד מסתובבת בכיוון אחד מולקולות חנקן 11.

הקושי העיקרי של הניסויקיים התקנת הדמיה, סכמטי שמוצגת באיור 1, יש לעשות עם העמדה של הגלאי, או את זווית המצלמה. מכיוון ציר הסיבוב בקנה אחד עם התפשטות לייזר 6 ציר, 7, 8 ברוטציה מולקולרית הנגרמת לייזר-שדה, אין זה מעשי להתקין גלאי לאורך ציר הסיבוב. כאשר הגלאי מותקן כדי למנוע הקרנת לייזר, את זווית המצלמה תואמת התבוננות בצד של הסיבוב. במקרה זה, זה בלתי אפשרי לשחזר את הכיוון המקורי של מולקולות מהתמונה (2D) מוקרנת היון 14. הדמיה 3D גלאי 14, 15, 16, 17, 18, 19, שבה זמן ההגעה אל הגלאי העליון ואת יון impacניתן למדוד עמדות t, הציע דרך ייחודית להתבונן סיבוב מולקולרי ישירות באמצעות הדמית פיצוץ קולון 10, 12. עם זאת, ספירת היון המקובלת לכל זריקת ליזר נמוך (בדרך כלל <10 יונים) ב גלאי 3D, כלומר קשה ליצור סרט ארוך של תנועה מולקולרית עם איכות תמונה גבוהה 14. השעה המתה של הגלאי (בדרך כלל ns) משפיעה גם על רזולוציית התמונה ויעילות הדמיה. זה גם לא משימה פשוטה לעשות חפיפת קרן משאבה-בדיקה טובה על ידי ניטור תמונת יון בזמן אמת עם שיעור החזרת ליזר של <~ 1 קילוהרץ. למרות מספר קבוצות הבחינו מנות סיבוב גל בטכניקת 3D, המידע המרחבי הוגבל ו / או ישיר, וכן להדמיה מפורטת של טבע גל, כוללים מבנים קטרי מסובכים, לא הושגה 10, 12.

המהותטכניקת הצילום החדשה היא השימוש של "זווית המצלמה החדשה" באיור 1. בתצורה זו, החשיפה קרן לייזר לגלאי הוא נמנע בעוד גלאי 2D הוא מקביל למישור הסיבוב, שמוביל התצפית מכיוון ציר הסיבוב. החריץ מאפשר רק יון במטוס הסיבוב (המטוס הקיטוב של פעימות לייזר) לתרום תמונה. גלאי 2D, אשר מציע קצב ספירה גבוה (בדרך כלל ~ 100 יונים) מאשר גלאי 3D, ניתן להשתמש. ההתקנה של המערכת האלקטרונית של יותר פשוט במקרה של זיהוי 3D, בעוד יעילות המדידה גבוהה. זמן רב שיקום מתמטי, כגון אבל היפוך 14, הוא גם לא צריך לחלץ מידע זוויתי. תכונות אלה להוביל אופטימיזציה הקלה של מערכת המדידה לייצור סרטים באיכות גבוהה. מנגנון הדמיה 2D סטנדרטי / 3D טעון החלקיקים ניתן לשנות בקלות אל witho למערך הקייםut שימוש בציוד יקר.

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

הערה: באמצעות פרוטוקול זה, אנו להבהיר מה אנחנו בעצם עשינו לפתח את השיטה הנוכחית. פרמטרים מדויקים, כולל תא ועיצוב ההתקנה אופטי ואת הגדלים והסוגים של חלקים, אינם חיוניים תמיד להחיל את השיטה הנוכחית למנגנון של הקורא. מהות ההליכים תינתן כפי שמציין בכל שלב.

1. בנייה של מתקן הדמיה 2D-פרוסה

הערה: במהלך שלב זה, כל החלקים זמינים מסחרית וציוד, כגון משאבת ואקום וגלאי, מותקנים על פי הוראות היצרן או מדריכים של המשתמש.

  1. כמו בניית מנגנון הדמית יון 2D / 3D טיפוסי 14, לעצב ולבנות בתא ואקום שאוב דיפרנציאלי כי יש מספיק מקום כדי להכיל שסתום פעם, הרחפנים קרן מולקולריים, אופטיקה יון (ערימה של 100 מ"מ טבעות עם 50 מ"מימ חור), יחידת הדמיה יון מחוץ ציר (apאלקטרודה repeller ulsed וערמת צלחות microchannel בגיבוי פוספור מסך), ואת הצינור טיסה יון (> באזור להיסחף מ"מ 200).
  2. צרף שהסתום פעם למחיצת החדר באמצעות ארבע נקודות הברגה (15 סנטימטר, Φ12 מ"מ), עבורו חורי בריח במחיצה הם קונצנטריים לתא. התקן את הרחפנים קרן המולקולריים למחיצה הקאמרית ישירות מול הנחיר באמצעות צלחת לשמור.
    הערה: בניית מנגנון הדמית יון, זה הכרחי כי ציר הקרן המולקולרי וצירי קרן הליזר מצטלבים ציר אופטיקה היון. כדי להשיג זאת, זה נוח להגדיר את ציר הקרן המולקולרי כציר קאמרי מקור. שלב 1.2 הוא למטרה זו. בנוסף, חורי הרחפן צריכים להיות בקנה אחד עם הזרבובית של השסתום, הבטחה שמרכז הקורות המולקולריים יכול להיכנס לשלב שאוב דיפרנציאלי באמצעות רחפן. כמו כן, חשוב לשקול את המשקל של השסתום פעמו; ומכאן, עבה מספיקחייבות לשמש הודעות הליכים לחבר את השסתום פעם אל קיר המחיצה. שמירה על מרחק 15 ס"מ בין הפייה המחיצה כדי למנוע את אפקט ההשתקפות של התערבות גז הרחפן 20.
  3. תקן אופטיקה יון לשלב הסופי של החדר שאוב באופן דיפרנציאלי, כמו התקנת הדמית יון טיפוסי 21.
    הערה: שלב זה מתבצע כדלקמן: הודעות ההרכבה מושחלות הם דפוקים למחיצה הקאמרית. על ההודעות, ערימה של אופטיקה היון נעולה במקום עם אגוזים. בגלל החורים הבריחו את ההודעות הם קונצנטריים לתא, הציר של אופטיקה היון עולה בקנה אחד עם זו של הקרן המולקולרית.
  4. התקן את חלונות הזכוכית האופטית (1 מ"מ עובי, 25 מ"מ קוטר, סיליקה התמזגה) על ידי הצבת טבעת O-P16 בין מקורבות ואקום עם חור וחלון, כך פעימות ליזר יכולות לחתוך את הקרן המולקולרית.
    הערה: בעד החלונות האלה, פעימות לייזר יכול לגשת middlדואר של הראשון ואת אלקטרודות יון השני ו מצטלבים ציר אופטיקה יון.
  5. לבנות יחידת הדמיה יון מחוץ ציר (איור 2).
    הערה: במהלך שלב זה, מעיין איור 2 כדי לאמת את הסדר 3 ממדים של היחידה. כל חלקי אלקטרודה (גלאי היון ואת repeller) הם רכובים על baseplate 100 מ"מימ עם ברגים צצים, בעוד החלקים אחרים הם רכובים עם ברגי נירוסטה. המהות היא להעלות גלאי הדמיה 2D באזור להיסחף יון כך שמשטח גלאי שלו הוא מקביל לציר אופטיקה יון בניצב לציר התפשטות לייזר. כמובן, כל החלקים לשמש מתח גבוה צריך להיות מבודד מבחינה חשמלית. אנו ממליצים כי המרחק בין ציר אופטיקה היון (טיסה) ועל פני שטח הגלאי הוא מ"מ כמה (במקרה הנוכחי, 5 מ"מ). עם מרחק רב יותר, זה ייקח יותר זמן כדי לדחוף את היונים גלאי, ובמרחק קצר עלול לגרום פריקה בין MCP שלurface ואת repeller פעמה.
    1. שים את קצה להבי החריץ (100 מ"מ אורך) עם מיקרוסקופ אופטי (~ 30X) ו / או קומפרטור אופטי ולאשר כי אין שקעים או סריטות גדולות מ -30 מיקרומטר הממוקמים בקצה להבי החריץ.
      הערה: הלהבים החריץ צריך להיות מותקן במקביל, ואין שקעים ושריטות כשרים. הסטייה במקביל מוביל הומגניות של איתור יון. פגם של להב מדרדרת תמונה נצפית (בפרק הדיון).
    2. באמצעות טפרי הרכבה קטנים, לצרף להבי החריץ לבעל להב חריץ, אשר מורכב של זוג צלחות אלומיניום 122.4 מ"מ מחוברות עם קפיץ, כמו אטב כביסה. הכנס גם מוט אלומיניום מחודד לתוך "אטב הכביסה."
      הערה: להבי השסע הם רכובים על צד הידית (נקודת המאמץ) של אטב הכביסה. כאשר מוט אלומיניום מחודד של צורת עיפרון דמוי חדדה מוכנס לתוך צד הצביטה (נקודת הפעולה) של CLOthespin, רוחב החריץ הופך גדול עם הגדלת הכנסת עומק של המוט המחודד (ראה תרשים 2B). שלבים 1.5.2-1.5.4 הם לבניית החריץ, את הרוחב אשר יכולים להיות מכוון במהלך מדידת ההדמיה. אם כוונון רוחב אינו נחוץ, פשוט להתקין את להב החריץ ~ 10 סנטימטרים במעלה זרם של אלומת היונים מהמגלה שימוש בחלקים גוברים מתאימים כמו טפרי מתכת ועבור לשלב 1.5.5.
    3. חבר את מוט האלומיניום המחודד אל המוזנים ליניארי ואקום תנועה (מיקרומטר / מפוח מבוסס, ICF70 גודל) ואת ההר בעל חתך והבסיס למישור צד ואקום של המוזנים.
    4. התקן את יחידת השסע נבנתה מעל גבי יציאת ואקום ICF70 כי הוא בניצב הוא לצייר גלאי לצייר טיסת יון.
      הערה: המיקום הוא ~ 10 ס"מ במעלה הזרם של אלומת יונים ממרכז הגלאי.
    5. הגדר את רוחב החריץ עד 1 ± 0.1 מ"מ באמצעות מיקרומטר.
      הערה: לדוגמה, שימוש חריץ 1 מ"מ עבור 50מ"מ ניוטון בתחום (ענן יון) תואם 2 חיתוך%, שהוא גבוה ב ברזולוציה מהטכניקה הפרוסה תקן 22. רוחב החריץ קובע ההחלטה הפרוסה; עם זאת, רוחבי קטן להוביל אותות חלשים.
    6. התקן אלקטרודה repeller פעמו של מלבני (115 מ"מ x 160 מ"מ x 3 מ"מ) צלחת נירוסטה, כמו באיור 2.
      הערה: repeller פעם צריך להיות מקביל הגלאי כדי להבטיח את ההומוגניות של השדה פעמיו החשמלי ביניהם.
    7. התקנת גלאי יון רגיש מיקום מורכב ערמת צלחות microchannel בגיבוי פוספור מסך כך שהוא הקביל repeller פעם; אחרי הליך הרכבת תקן 14, 23.
    8. התקן נקודת מבט ואקום רכוב מקורב עם אטם נחושת לחלק האחורי של מסך זרחן.
  6. וחוט אופטיקה יון ספקי כוח במתח גבוה החלק Detector רכיבים מוזנים (א פעם repeller, צלחות microchannel, ומסך פוספור) כדי פעם אספקה ​​במתח גבוה (~ 50 ננו-שניות לעלות / זמן נפילה) באמצעות נוכחיים.
    הערה: יש להקפיד על מנת להבטיח כי כבלים כל אל תפסיקו את התצפית של מסך זרחן דרך נקודת המבט.
  7. חבר את השסתום פעם אל כניסת הגז (3% גז N 2 הוא; לחץ כולל של 3 MPA) עם צינור נירוסטה אל הבקר שסתום עם זוג חוטי נחושת מצופים.
    הערה: שני קשרים לעבור רכיבים מוזנים ואקום.
  8. סובב את ואקום המשאבות וכוונו את הלחץ של חדר גלאי הדמיה נמוכה מ -10 -4 אבא, אפילו כאשר השסתום פעם הוא במבצע.
    הערה: לחץ גבוה יותר עשוי להוביל לניזק של האלקטרודה וגלאי מתח הגבוה. כאשר הלחץ הוא גבוה, משאבות גדולות יותר או ההפחתה של שיעור ההחזרה של השסתום נדרשת. שימוש הקאמרי בהווה שסתום פעם, קרן מולקולרית חנקן עם rotatiהטמפרטורה onal מתחת ל -6 K ניתן להפיק 11. בטמפרטורת הסיבוב הזה, 99% של מולקולות נמצאים במצב J ≤ 2 (J הוא מספר קוונטי הסיבוב).

2. בניית תכנית התקנה אופטית פומפה חללית

הערה: עבור שלב זה, ראה איור 3 להבין איפה ואיך את השלבים הבאים מבוצעים. מטרת שלב זה היא ליצור שלושה פולסים FS קוליניארי מפרסומת Ti: מגבר לייזר ספיר לניסוי משאבת-בדיקה 11. הדופק הראשון היה עבור יישור מולקולרי (מקוטב לינארית, מרכז גל של 820 ננומטר, עוצמת שיא <30 TW / 2 ס"מ), השני היה על בקרת הכיוון (העתק מאוחרת של אחד הראשונים, למעט הקיטוב ליניארי +45 ° מוטה מצייר הקיטוב של הדופק הראשון), והשלישי היה חללית הדמית פיצוץ קולון (מקוטב מעגלי, 407 ננומטר, 1 00 FS, 600 TW / 2 ס"מ). במהלך שלב זה, כל החלקים זמינים המסחרית וציוד, כגון בודק קיטוב שלב אופטי, מותקנים משומשים בהתאם להוראות היצרן או המדריכים של המשתמש.

הערה: במהלך שלב זה, כל הרכיבים האופטיים מותקנים ומשומשים פי נהלים הקבועים של ניסויים אופטיים והמדריך של היצרן עבור אופטיקה. כל המראות מפנה dichroic בהם נעשה שימוש הם מראות multilayer דיאלקטרי כדי למנוע אובדן כוח לייזר במהלך השתקפויות רבות בנתיב אופטי. חלק אופטיקה וקריסטלים בשימוש מוצג ברשימת החומר לכתבה זו.

  1. סובבו את לייזר femtosecond (Ti: מגבר ספיר) מערכת על ולרכוש פלט לייזר של יותר מ -1.5 mJ / הדופק, מצוין ~ 35 משך FS, באורך גל 820 ננומטר מרכז, ואת שיעור החזרה 500 הרץ.
  2. כן נתיב אופטי של דופק הבדיקה (הדמיה)EF "> 10, 11, 12.
    1. התקן גביש קוי (bbo, אני סוג, עובי 0.2 מ"מ, 29.2 °, לדור השני-ההרמוני של אור 820 ננומטר) בנתיב האופטי 820 ננומטר כדי להשיג את ההרמוניות השניות (> 0.2 MJ) של פלט לייזר 820 ננומטר היסוד. השתמש הרמוניות השניות שנוצרו (407 אור ננומטר) כמו דופק בדיקה לאחר שהיא משתקפת במראות dichroic ומופרדת אור 820 ננומטר היסוד.
    2. לבנות נתיב אופטי, כפי שמוצג על ידי הקו הכחול באיור 3. באמצעות mounts קרן-היגוי במראה, ליישר קרן זו לעבור דרך המרכז של שני חלון המותקנות בשלב 1.4.
      הערה: רכיבי המפתח מורכבים מחליש (השילוב של א-לוחית גל חצי מקטב), שלב ליניארי ממונע לסריקת דיחוי, לוחית גל עבור כוונון קיטוב.
  3. הכן נתיב אופטי למשאבה (לשעבר הסיבובציטוט) פולסים 24, 25, 26.
    1. לבנות נתיב אופטי, כפי שמוצג על ידי הקו האדום באיור 3, ולקבל זוג פולסים FS הזמן- ואת הקיטוב-מתכונן.
      הערה: דופק 820 ננומטר שיורית (~ 1 MJ) אחרי הדור השני-הרמוני בשלב 2.2.1, נפלט מן המראה dichroic, משמשת ליצירת פולסים משאבה אלה. האנרגיה הדופקת האופיינית של כל דופק משאבה היא 0.25 MJ. רכיבי המפתח מורכבים מחליש (השילוב של חץ לוחית גל ו מקטב), קרן splitter 50:50, שלב ליניארי ידני כוונון זמן עיכוב, לוחית גל עבור כוונון קיטוב, וטלסקופ עבור-גודל הנקודה אופטימיזציה.
    2. על ידי התאמת ההטיה של mounts במראה בנתיב האופטי, ליישר את זוג קורות משאבה להיות מקביל ולעשות במרכזם לעבור דרך המרכז של שני חלון המותקנות בשלב 1.4.
      הערה: כדי לוודא זאת, גידולכלי יישור, בלוק אלומיניום עם נייר מילימטרים מצורף, משמשים. הכלי יכול להיות ממוקם באותה התנוחה עם שחזור גבוה באמצעות חור הטפח של שולחן אופטי. שני חורי ברגים בתור נבחרים כמדריך של הנתיב המקביל. בדומה לכלי היישור ממוצבת באחד החורים הנבחרים, הקורות מיושרים כך שהם פוגעים באותה נקודה של כלי היישור. חזור על המיצוב של הכלי ואת היישור של הקורה עד הקורה פוגע באותה הנקודה של הכלי בשני עמדות היישור-הכלי. בגלל חורי הברגים בטבלה האופטית עולים בקנה אחד עם דיוק גבוה, נהלים אלה להוביל ליצירה של קורות במקביל.
  4. התאם את מצבי קיטוב של פולסים.
    1. התקן בודק קיטוב רק לפני פולסים להיכנס לחדר כך פעימות הליזר פגעו הגלאי של הבודק.
    2. התאם את הזווית של לוחית הגל באמצעות אופטיקה סיבוב הר בכל optiנתיב קאל. השג את הדופק בדיקה מקוטב מעגלית, הדופק המשאבה הראשונה מקוטב אנכית, ואת הדופק משאבת השני מקוטב לינארית; עבור המשאבה השנייה, להטות את המטוס הקיטוב 45 ° מזו של המשאבה הראשונה.
      הערה: עם השימוש בודק קיטוב, מדינת הקיטוב של דופק כל יכולה להיות מדמיינת כמו עוצמת שידור זווית תלוי קוטב. כדי להשיג קיטוב מעגלי, להתאים את זווית לוחית הגל להשיג תמונה איזוטרופיים, למשל.
    3. הסר את בודק הקיטוב מהדרך האופטית.
      הערה: המשאבה הראשונה יוזם סיבוב 4 כיוון-undefined, 9, 10. בעת היישור המולקולרי המיידי, המשאבה השנייה היא האירה ליצור מומנט אסימטרי להתחיל הסיבוב חד כיווני 12, 13. מאז דופק בדיקה מקוטבת מעגלי מייננת המולקולות דואר ללא העדפה זוויתי במישור הקיטוב, הוא מתאים מדידת הפצה זוויתי.
  5. מצא את החפיפה הזמנית של דופק בכל.
    1. התקן גביש קוי (bbo, 0.2 מ"מ עובי, סוג 2, עבור הדור הרמוני שליש של אור 820 ננומטר), חלון אופטי בעל עובי זהה (3 מ"מ) כסכום של חלון תא (1 מ"מ) ואת העדשה מתמקדת קמור-Plano (2 מ"מ), ו פריזמה פיזור ממש לפני פולסים להיכנס לחדר.
      הערה: הליך סטנדרטי כדי לקבוע את זמן אפס (החפיפה הזמנית של המשאבה ואת דופק בדיקה) בניסוי משאבה-החללית היא למצוא תגובה לינארית, אשר נצפתה רק כאשר הוא את המשאבה ואת דופק בדיקת האינטראקציה בו זמנית עם מדיום . הנה, החפיפה הזמנית של הדופק 407 ננומטר החללי לבין דופק משאבת 820 ננומטר בגביש הקוי מוביל דור 267 ננומטר. יש לנו להעריך את החפיפה הזמנית של קורה vaתא cuum בעוד צעד 2.5.1 מתבצע לפני פולסים להיכנס לחדר (וחלון העדשה קאמרי התמקדות). לכן, כדי לפצות על עיכוב הזמן הציג ליד חלון החדר ואת העדשה מתמקדת, חלון אופטי 3 מ"מ מותקן. שתי משאבות חלליות אחד לעבור דרך החלון ואז קריסטל, ומתוך כך הם התפזרו על ידי פריזמה. מניח דף נייר הלבן לאחר פריזמה לזהות את הדור של הרמוניות השלישיות 267 ננומטר כמו קרינה לבן-כחולה. כל החלקים שהוזכרו הם רכובים על בעל אופטי.
    2. לחסום את הקו של משאבה 2 באיור 3 עם משליך קורה.
    3. הלחיצה על כפתור המהלך בבקר במה, לסרוק את הבמה הממונעת ולמצוא דור 267 ננומטר.
      הערה: כאשר המרחק האופטי של פולסים משאבת הבדיקה זהה בתוך משך פעימות הליזר, אות צד הרמוניות מופיעה. עמד בשלב זה נחשב זמן 0, שבמהלכה הוא את המשאבה ואתחללית מכה את המולקולות בו זמנית.
    4. בלוק משאבת 1 ו שחרור משאבה 2 (להסיר את משליך הקרן).
    5. סרוק את הבמה הידנית מבוסס מיקרומטר מותקנת קו משאבת 2 ולמצוא את התנוחה שבה ניצב פליטת 267 ננומטר מתרחשת.
    6. הסר את הקריסטל, החלון, ואת פריזמה מקו האופטי.
      הערה: בשלב זה, השלושה פולסים חפפו באופן זמני על הקרן המולקולרית בתוך משכי הליזר. החלטת הזמן של ההתקנה ניתן למדוד כמו-מתאם צלב על ידי ניטור התוויית אנרגית 267 ננומטר בעת סריקת הבמה הממונעת בנתיב החללי. בשנת למערך הקיים, את רוחב חצי מקסימום של פונקצית קורלציה הוא ~ 120 fs. רוחב הפולס הוא מותאם להשיג את תפוקת החשמל הגבוהה ביותר של ההרמוניות השניות. לאחר הדור השני-הרמוני, פולסים לעבור דרך עדשות זכוכית, לוחית גל, מראה dichroic, מקטבים, והחלון הקאמרי, שמובילים ציוץ. מכיוון disper קבוצת העיכובשיאון של חומרים באזור 400 ננומטר הוא הרבה יותר גדול מאשר באזור 800 ננומטר, אנו למזער את אופטיקה שידור בנתיב החללית. כדי לשפר את הרזולוציה זמן, ניהול פיזור, כולל מערכת המראה צייצה, יהיה מועיל.

Setup 3. עבור מערכת מדידה

הערה: במהלך שלב זה, כל החלקים זמינים המסחרית וציוד, כגון גנרטורים היצע עיכוב כוח, מותקנים משומשים בהתאם להוראות היצרן או המדריכים של המשתמש.

  1. סנכרון Pulse
    1. מחלקים את הפלט 80.8 MHz של מתנד femtosecond 500 הרץ עם שהפרידה בין תדירות מהר, ולהשתמש פלט מחולק זו להפעיל גנרטור עיכוב דיגיטלי 1 ומגבר FS.
    2. השתמש באחת פלטי המתעכב של עיכוב גנרטור 1 כמפעיל עבור השסתום פעם.
      הערה: הגבל את חזרת השיעור של השסתום לשמור vacu המקובלתנאי אממ (פחות מ 10 -3 אבא, למשל). במקרה זה, אנו קובעים את הערך ל -250 הרץ.
    3. תקן פוטודיודה מהר מצויד במסנן שידור 400 ננומטר רק לאחר קורה לצאת הקאמרי, וכן להשתמש בפלט של דיודה זו בתור הטריגר גנרטור עיכוב דיגיטלי 2.
      הערה: דופק הבדיקה משמש מוצא זמן אלקטרוניקת הדמית יון.
    4. חבר שלושה מתגים מתח גבוה כדי גנרטור עיכוב דיגיטלי 2 עם כבלים קואקסיאליים.
  2. הפעל את כל ספקי כוח במתח גבוה ומדליק.
  3. להגביר את המתח לערכי היעד.
    הערה: מתח היעד תלוי בגודל של המנגנון ואת המערכה של עניין. ערכים טיפוסיים במקרה הנוכחי מוצגים הכיתוב של איור 1. כדי להשיג תמונות מעוותות, הכיוון עדין מתחי ההטיה נדרש 13 (ראה שלב 4.1.7). עלייה מהירה בשווי המתח עלולה לגרום להזרמהאו נזק למערכת אלקטרוניקה. אנו ממליצים עלייה של פחות מ -100 V / s עבור מבצע יומי וגידול של 100 וולט / 300 s עבור השימוש הראשון בחלל ריק.
  4. התקנה עלינו למקם את מצלמת ההדמיה
    1. התקן מצלמה דיגיטלית מצוידת עדשת מצלמת f = 25 מ"מ על הפוסט האופטי מול viewport הוואקום להגדיר בשלב 1.5.5. ודא כי ציר המצלמה הוא בניצב לפני שטח הגלאי. בגלל נקודת המבט הוא בניצב מפלס הרצפה, להשתמש במדריך מים ברמה כדי ליישר את בסיס המצלמה אופקית יחסית לרצפה.
      הערה: התאמות פיין של העמדה נעשית בשלב מאוחר יותר.
    2. התקנת מאוורר קירור עבור המצלמה כדי שרוח מכת המצלמה מהחלק האחורי.
    3. מכסה את האזור בין עדשת המצלמה ואת viewport ואקום עם וילון כך אור לא רצוי, כגון תאורה בחדר סביבה, אינו נכנס המצלמה.
    4. חבר את המצלמה למחשבדרך יציאת USB 3.0.
    5. הפעל את תוכנת המצלמה שליטה ולמקסם את הרווח של המצלמה על ידי הזנת את הערך המקסימלי במקטע לקבל שליטה של ​​התוכנה.
    6. הגדר את גודל התמונה בדרך כלל 1,200 x 750 פיקסלים.
      הערה: למרות גודל תמונה מוגדל מוביל רזולוציה גבוהה יותר, קצב הנתונים של יציאת ה- USB 3.0 מגביל את קצב פריימים המקובל. בהגדרות הנוכחיות, יותר מ -250 fps יכול להיות מושג, שהיא גבוהה מספיק כדי להשיג תמונה לכל טעינת דופק גז (250 הרץ).
    7. התחל לצלם תמונות עם המצלמה על ידי לחיצה על כפתור "תפוס". באופן ידני להתאים את המיקום של המצלמה כך שהתמונה מכסה את כל שטח גלאי 2D. תקן את מצלמת הר עם בורג.
    8. על ידי ניטור תמונה שצולמה בזמן אמת, להתאים את טבעת המיקוד של עדשת המצלמה, כך גודל נקודת יון הבהיר הופך את המינימום.

4. מדידות

הערה: לי שיטת asurement משמשת כאן היא שילוב של נהלים דיווחו 14, 27 ואת התקנת ההדמיה הנוכחית. במהלך שלב זה, כל החלקים זמינים המסחרית וציוד, כגון אלקטרוניקת מתח גבוה, מותקנים משומשים בהתאם להוראות היצרן או המדריכים של המשתמש.

  1. מציאת האות ואופטימיזציה של הגדרות הדמית יון
    1. חסום את פולסים המשאבה של המערכת האופטית עם משליך קורה.
    2. באמצע הרבעון הראשון לבין אלקטרודות השני של אופטיקה היון, להתקין עדשת פלאנו-קמור (f = 120 מ"מ) כדי למקד את דופק ליזר בדיקה אל הקרן המולקולרית.
    3. קבע את הזמן של מתגים מתח גבוה (פלט גנרטור עיכוב דיגיטלי) לזמן ההגעה המשוער של N 2 + יון, אשר מספק את עוצמת האות הגדולה בתנאי הגז הנוכחי 14,s = "Xref"> 27.
      הערה: זמן ההגעה ניתן לאמוד מתוך הטיות אופטיקה יון ואת המרחק של טיסה, יחד עם המוני כדי תשלום היחס של יעד יון 28. אחרת, סורק את הזמן הוא הפתרון האחר לאיתור אות.
    4. תוך מעקב אחר תמונת היון, להתאים את מיקום העדשה עם XYZ-הבמה בפעם הדופקת גז (פלט גנרטור עיכוב דיגיטלי), ולרכוש את האות הגדולה (מבריקים גדול תמונה).
    5. שנה את משך הזמן של מתגים מתח גבוה אל קולון התפוצץ N 2 + ערוץ 14, 27.
      הערה: בגלל המסה-אל-תשלום יחס של N 2 + הוא ארבע פעמים קטן יותר מזה של N 2 +, זמן ההגעה של N 2 + הוא כמעט פי שניים יותר מהר מזה של N 2 +.
    6. הורידו את קצב הפריימים המצלמה ~ 20 fps ולהגדיל את זמן החשיפה ל -50 מילי-שניות.
      הערה: עם זאתהגדרה, תמונת המצלמה כוללת את האות 12 מקדמי דופק גז. אמנם זה מוביל את החפיפה של כמה יונים, שנוכל להעריך בקלות לזהות את הצורה המחוספסת של הפצת היון.
    7. התאם את ההטיות אופטי יון בהתחשב בכך שחלוקת היון נצפתה הופכת אליפסה מעוותת.
      הערה: הקטנת הבדל ההטיה בין הראשונים ותוצאות אלקטרודות השניות ההתארכות של (ציר אופטיקה יון) האנכי בכיוון בהסדר הנוכחי 29, 30. אופטיקה השלישית ואילך משמשת לכוונון העדין של הצורה. העיוות של האליפסה מדרדרת הפרדה זוויתית משוחזרת מהתמונה.
  2. מציאת חפיפה מרחבית-בדיקת משאבה
    1. שחרור חסימת משאבת 1, הסרת משליך קורה, אבל לשמור חסמיו משאבה 2.
    2. התאם את הטלסקופ כדי לאתר את המותנים הקורים של דופק המשאבה בתוך קרן מולקולרית.
      הערה: אל צ'הnge עמדת העדשה מתמקדת מול החלון הקאמרי, אשר מותאם במיוחד עבור דופק הבדיקה.
      הערה: הליך זה יכול להיות מושלם על ידי המשקף את קרן הליזר אל המקום הפנוי בלחץ אטמוספרי רק לפני שהם נכנסים לתא הוואקום. באמצעות מדידת אורך המוקד עבור אותה עדשת כניסה, הטלסקופ יכול להיות מותאם.
    3. בזהירות להתאים את מיקום הנקודה של קורה המשאבה עם מראה ברזולוציה גבוהה הר 1 (איור 2), ולמצוא את האות המשופרת בתמונת היון בשל חפיפת משאבה-הבדיקה. לפני או אחרי זה, להגדיר t כדי ~ 4 ps על ידי הזזת הבמה עיכוב 600 מיקרומטר קדימה. מצא את התמונה איזוטרופי בתוקף לאורך קיטוב משאבת 1.
      הערה: בגלל חפיפת הזמן הייתה בערך מותאמת בשלב 2.5, רק החפיפה מרחבית צריכה להיות מכוונת. אם דינמיקת מנות הקבועה או גל הסיבוב ידוע מולקולת היעד, בחירה חלופית היא לכוון את זמן ההשהיה החללית אל instantaneouזה זמן יישור מולקולרי. לדוגמה, זה יכול להתרחש בכל Δ t ~ 1/2 B, שבו Δ t הוא הפרש הזמן בין הדופק משאבת בדיקה ו- B הוא קבוע הסיבוב הרץ 10, 11. עבור N 2, ~ 8.3 ps. בתקופה כזו, החפיפה המרחבית-חללית משאבת מוביל חלוקת היון מראה את המקסימום בכיוון קיטוב משאבה (אנכי במקרה הנוכחי) ואת מינימום הציר המאונך. זה קל יותר למצוא חתימה יישור כאלה לעומת שיפור ברוטו המתקבל Δ t ~ 0. לגבי השינוי של t Δ, שים לב, על פי מהירות האור, תנועת 5 מיקרומטר של השלב מתאים ~ 33.356 FS.
    4. בלוק משאבת 1 ו שחרור משאבה 2.
    5. חזור על שלב 4.2.3 עבור משאבה 2. מצא חפיפה חללית-משאבה עבור משאבה 2 על ידי התאמת מראה ברזולוציה גבוהה הר 2 (איור 2), תוך שמירה עלהמסלול האופטי של משאבת 1 ללא שינוי.
      הערה: הקפד שהקיטוב של משאבה 2 מוטה כך היישור הוא ציין לאורך בכיוון אלכסוני כשהזמן מוגדר זמן היישור.
  3. בקצרה לבחון את דינמיקת סיבוב חד כיוונית
    1. משאבת שחרור חסימה 1. הגדר את זמן ההשהיה בין משאבות 1 ו -2 לזמן יישור (למשל, 4.0 נ.ב. למקרה N 2 10, 11) עם עיכוב מדריך שלב 1 באיור 2.
    2. בדוק כדי לקבוע אם הסיבוב חד כיווני ניתן להכיר מתמונות מצלמה כמו עיכוב הבדיקה נסרק (עם במה ממונעת או ידנית).
      הערה: כאשר כל התהליך המתואר לעיל הם השיגו היטב, אפשר לראות את התמונות שבהן האזור הבהיר בצורה חלקה מסתובב בכיוון אחד כמו עיכוב בדיקה נסרק. אם סרט כזה לא ניתן לראות, לחזור בזהירות צעדים 4.1-4.2. השפעת הסחיפה של opmounts tical לפעמים מדרדרת את החפיפה הקורה.
      הערה: על פי מהירות האור, תנועת 5 מיקרומטר של השלב מתאימה ~ 33.356 FS. למטרות תצפיתי בלבד, הנהלים הנ"ל מספיקים. עבור הקלטה וניתוח מפורט של תנועה, להמשיך לשלבים הבאים.
  4. מדידות Setup
    1. להגדיל את מסגרת הדולר מצלמה 250 fps ולהקטין את זמן החשיפה ~ 4 ms.
      הערה: מסגרת מצלמה אחת תואמת תמונה לטעינה דופקת אחד ליזר ירייה / גז.
    2. הפעל את תכנית המדידה, אשר שולטת על המכשירים, לוכדת את התמונות, ומנתח ו מציג את הנתונים.
    3. לחץ על הכפתור לבצע וללכוד 1,000 תמונות תוך חסימת קורות המשאבה.
    4. מספרים להתאים את התמונה סכמה עם אליפסה ולקבל את ε סְגַלגַלוּת והמרכז של האליפסה (x 0, y 0).
      הערה: כאשר חה תמונה גלםזה יותר אליפסה אחת בשל מספר הרב של ערוצים של פיצוץ קולון, להגביל את האזור של עניין ולהשתמש רק אחד האליפסות.
    5. לכידת 100,000 תמונות תוך חסימת קרנות המשאבה ולהשתמש התמונה שהושגה כהפנית בדיקה בלבד.
      הערה: יחס אות לרעש של תמונת ייחוס-רק בדיקה משפיעה על איכות הפצה זוויתי. לכן, מדידה ארוכה יחסית (~ 400 ימים) נלקחה בשלב זה.
  5. אם אקח סרט סיבוב מולקולרי חד כיווני
    1. בטל את חסימת קורות המשאבה.
    2. קבע את הזמן החללי ערך שלילי (t ~ -100 FS; כלומר, לפני קורות המשאבה).
    3. התחל לולאת המדידה, כולל את השלבים הבאים
      1. צילום תמונה. מצא את המרכז-של-המסה לתאם של כל נקודה ונקודת יון בהירה, binarize את התמונה על ידי ההקצאה "1" למרכז הקואורדינטות ההמוניים "0" כדי הפיקסלים האחרים 27
      2. לסכם את התמונות binarized עבור 10,000 מסגרות המצלמה על ידי הגדרת "את מספר התמונות" בתיבת הקלט של התוכנית ל -10,000.
        הערה: כדי למנוע את אפקט רוויה, להגדיר את עומק התמונה של התמונה סיכם ל -16 סיביות.
      3. המר את המצלמה לתאם (x, y) אל הקוטב לתאם באמצעות סְגַלגַלוּת ε נקבע בשלב 4.4.4.
        הערה: תהליך זה יושלם כדלקמן: באזור אליפטי של עניין, כל קואורדינטות פיקסל (x, y) מומר קואורדינטות הקוטביות היחסיות Φ באמצעות המשוואה הבאה:
        משוואה 1
        הערה: שלב זה הוא שווה ערך ל הרחבת התמונה בכיוון האנכי בעת המרת אליפסה למעגל.
      4. המר את התמונה המתקבל למזימה קוטבית שבו עוצמת האות זוויתי תלויה זממה כמרחק מהראשי.
        הערה: Anglדואר תלוי ההסתברות P (Φ) מחושב באמצעות המשוואה הבאה:

        משוואה 2
      5. לנרמל את עלילת הקוטב, וחלוקתו כי הפנית הבדיקה בלבד.
        הערה: שלב זה מכייל הוא הקיטוב מעגלי השלם של דופק בדיקה ואת הומגניות של גלאי ההדמיה.
      6. הזז את זמן הבדיקה קדימה על ידי ~ 33.356 FS.
        הערה: משמרת 33.356-fs זמן הבדיקה מקבילה תנועת 5 מיקרומטר הבמה ליניארי הממונע.
    4. המשך בלולאה עד לפחות תקופת תחיית סיבוב אחד, 1/2 B (~ 8.3 ps עבור N 2), הוא עבר לאחר זמן 2 משאבה.

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

איור 4 א מראה תמונת גלם בלבד בדיקה של N 2 + היון נפלט לאחר הקרנת בדיקה (פיצוץ קולון), מובן ירה ליזר אחד חללית. כל נקודת אור מתאימה יון אחד. איור 4B מראה תמונה סכמה של 10,000 תמונות מצלמה גולמית binarized. תמונות אלו מראות כי התקנת ההדמיה שלנו יכולה לפקח על המולקולות של כל זוויות האורינטציה במישור הקיטוב. איור 4C מראה את העלילה הקוטב מנורמל התואם לזה של איור 4B. בגלל שליטת סיבוב (משאבה) הדופק נעדר, החלוקה היא איזוטרופי (איור 4C מראה מעגל).

באיור 4 ב ', פגם קטן בשל הומגניות גלאי ניתן לראות בתחתית של האליפסה. כזה פגם תמיד מופיע באותו מיקום התמונה. לכן, C זהיפוצו על ידי נרמול התמונות הנצפות עם תמונת בדיקה בלבד (שלב 4.5.3.7).

איור 5 מראה שנבחר תמונות שצולמו לאחר ההקרנה של שני פולסים המשאבה. כדי לשפר את ההבנה, לא רק את תמונות היון ציינו, אלא גם המגרשים "מטומטמות" תמונות מודל הקוטב המתאימים מוצגים כפונקציה של זמן בדיקה. מגרשי הקוטב הם שנוצרו בשלב 4.5.3.5. תמונת המשקולת היא דימוי חפף של משקולות של זוויות נטייה שונות, ומשקלם (אטימות) הם ההסתברויות זוויתי הנצפות. הרצף של תמונות יוצר סרט ברור סיבוב מולקולרי חד כיווני. גל האופי של תנועה ניתן לראות את המבנים קטרי מסובך והפיזור, לרבות היווצרות -shape "X".

איור 6 מציג תמונת יון נלקחה עם שסע ו AP פגומיםhotograph של קצה החריץ עם שקע. פגם קטן משפיע על התמונה הנצפית בעיקר. במקרה כזה, צעד חזרה 1.5 נדרש. עובדה זו נדונה גם בסעיף הדיון.

איור 7 מציג את תמונת המצלמה גלם באיזה מצב חפיפת משאבה-בדיקה המותאמת. על ידי ניטור כגון אות חפיפת קרן, השבילים האופטיים יכולים להיות מותאמים. זה מוביל סרט ברור, כמו באיור 5.

איור 1
איור 1: תרשים רעיוני של זוויות צילום בתצורות המעשיות, טיפוסיות, וחדשות. בשינה את זווית המצלמה הטיפוסית, גלאי מותקן להימנע מחשיפת ליזר, אך זוויות הפליטה של ​​יונים לא יכולות להיות משוחזרות מן התמונה המוקרנת 2D. בהווה, זווית המצלמה החדשה, מטוס הסיבוב (polarizat ליזריון במטוס) הוא מקביל לפני שטח הגלאי ולכן הוא מתאים לדמיין את התנועה הסיבובית. מתח הטיה אופייני הם 2,500 V, 1,799 V, 1,846 V, 253 V, 0 V, 3,500 V, -800 V, ו -4,500 V עבור אופטיקה יון 1, 2, 3, 4, ו -5, repeller פעם, צלחות microchannel ומסך זרחן, בהתאמה. מספור אופטיקה יון מתחיל ב האלקטרודה התחתונה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2
איור 2: דיאגרמות סכמטי של יחידת ההדמיה 2D. (א) תרשים סכמטי של הרכבת הגלאי. צלחת עיגול בצבע כתום הוא baseplate שאליו החלקים האחרים הם רכובים עם ברגים. (ב) תרשים סכמטי של הרכבת החריץ. בתמונה הימנית מסביר את ההצעה של החריץ. הערכים הגדלים נמצאים מ"מ. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3
איור 3: תרשים סכמטי של ההתקנה האופטית משאבה-הבדיקה הנוכחית. השבילים האופטיים של פולסים המשאבה עבור עירור סיבוב מומחשים על ידי הקווים האדומים, בעוד זה של החללית (הדמיה) הדופק מוצג על ידי הקו הכחול. NLC, קריסטל קוי עבור דור שני-הרמוני; HWP, חצי לוחית גל; QWP, רבע לוחית גל; DM, מראה dichroic; BS, קרן splitter 50:50; HRM: מראה ברזולוציה גבוהה הר. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

ithin-page = "1"> איור 4
איור 4: גלם ונותח קולון התפוצץ תמונות יון. (א) תמונת גלם טיפוסית של N 2 + מובן ירה בדיקה אחד. (ב) תמונה סכמה עבור 10,000 תמונות מצלמת binarized. הגודל של תמונת המצלמה הוא 1200 x 750 פיקסלים. הגודל האמיתי-שטח המקביל הוא 80 מ"מ x 50 מ"מ. (C) עלילת הקוטב המנורמלת נבנתה מהתמונה סכמה. ב תמונות הגולמיות וסכמו, צבע שווא נוסף מנת להדגים את עוצמת האות. זוויות הקוטב במעלות מוצגות לאורך ההיקף. שווי רדיאלי הוא הסתברות תלוית זווית (יחידות שרירותיות). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

4917fig5.jpg "/>
איור 5: תמונות נבחרות של דינמיקת מנות גל סיבוב הנגרמת ליזר. בכל זמן השהיה, הפנל העליון מראה את תמונת היון שבו הצורה האליפטית שהומרה למעגל. הלוח המרכזי מציג את עלילת הקוטב המתאימה. הפאנל התחתון מראה מודל המשקולת של התפלגות זוויתית. תמונת המשקולת זהו דימוי חפף משקולות מזוויות אורינטציה שונות, ומשקלם (אטימות) הם ההסתברויות זוויתי הנצפות. עלילת הקוטב משתמשת באותה יחידה וקנה מידה כמו באיור 4. תמונת היון מעסיקה קואורדינטות טרנספורמציה, כמו בשלב 4.5.3.4. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 6
איור 6:השפעת הפגם שסע על תמונת היון ניסיון. (א) נצפתה בדיקה בלבד N 2 + תמונת יון נלקחה עם שסע פגום. (ב) צילום של קצה החריץ שיש שקע תת-מ"מ. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 7
איור 7: תמונת מצלמה גלם באיזה מצב חפיפת משאבה-בדיקה המותאמת. שעת הבדיקה מוגדרת בזמן t = 4.0 נ.ב. לאחר הקרנת דופק המשאבה הראשונה. בשלב זה, במידה המירבית של יישור מולקולרי מושגת. הגודל של תמונת המצלמה הוא 1200 x 750 פיקסלים. הגודל האמיתי-שטח המקביל הוא 80 מ"מ x 50 מ"מ. בבקשה תלחץכאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

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

ההליך הנוכחי מאפשר לנו ללכוד סרט בזמן אמת של סיבוב מולקולרי עם התקנת הדמית 2D מבוסס חריץ. בגלל היונים והנצפים לעבור דרך החריץ, צעד 1.5 הוא אחד השלבים הקריטיים. הקצוות של להבי השסע חייבים להיות חדים. כשיש פגם קטן, כגון שקע 0.3 מ"מ החריץ, שריטה הוא ציין את התמונה יון (איור 6). במקרה כזה, הלהב החריץ צריך להיות מלוטש עם 2,000-חצץ נייר זכוכית רטוב.

מלבד זווית המצלמה הייחודית שניתן לראות בתרשים 1, לשיטה זו מספר יתרונות על פני גלאי הדמית 3D, שהיה בעבר הפתרון היחיד עבור הדמית מנות גל סיבוב.

ראשית, בהליך הנוכחי, יישור קרן אופטי יכול להתבצע בקלות על ידי ניטור תמונות יון גלם, כמו צעדים 4.1-4.2. איור 7 מציג את תמונת המצלמה גלם באיזה מצב חפיפת משאבה-בדיקה המותאמת. כאשר pחפיפת קרן UMP-חללית אבדה, איזוטרופי או חתימות תמונה משופרות לא ניתן לראות, כמו באיור 4 א. עובדה זו מדגישה את החשיבות של צעדים 4.1-4.2 בשיטת ההווה. מכיוון הגדלים במקום של קורות משאבה ואת החללית הם בסדר גודל של 10 מיקרומטר, זה כלל קשה למצוא מצב חפיפה אופטימלי ללא ניטור בזמן אמת תמונות. במקרה של גלאי הדמית 3D, כמה שניות נדרשות כדי ליצור תמונה עם נקודות מספיק נתונים (לפחות יוני 1,000) כאשר רץ 1,000 או ליזר החזרה מהשורה תחתון מועסק, כי קצב הספירה הוא מוגבל למספר אירועים לכל לייזר נורה גלאי 3D. בשיטה הנוכחית, מצד שני, שיעור הספירה היא בעצם בלתי מוגבל, ואת מספר היונים לכל מסגרת ניתן להגדיל פשוט על ידי הארכת זמן החשיפה. במקרה הנוכחי, יותר מ -1,000 יונים מזוהים בתוך זמן חשיפה 50 ms.

שיעור הספירה הגבוה של השיטה הנוכחית מוביל גם לזמן רכישת נתונים קצר. מכיוון קצב הפריימים של המצלמה הוא 250 fps, זה לוקח רק ~ 40 שניות לקחת תצלום אחד של התנועה המולקולרית בזמן מסוים. באשר לאופן מדיד לאורך זמן תחיית סיבוב המולקולרי אחד (~ 8.4 PS) בצעד 33-FS ~, זמן המדידה הוא רק כמה שעות. זהו יתרון נוסף, כי נתוני ניסוי יהיו מושפלים על ידי היציבות לטווח הארוכה המוגבלת של לייזרי הגדרת הניסוי כולו. ב ההתקנה שלנו, למשל, משך הזמן משתנה עם זמן, בין היתר בשל שינוי טמפרטורת מגבר FS. שינוי 3-K בתוך 6 שעות הביא את התפשטות תרמית של המגבר, כולל הארכה של המרחק בין סורגים מדחס הדופק, שמוביל את התארכות של משך הדופק 31. להיסחף לייזר-קרן, אשר מפרק את האות של הדינמיקה הנגרמת המשאבה, זוהה גם בתוך ~ 8 שעות, אם כי המקור של סחיפה זה לא היה מזוהה.

t "> הטכניקה הנוכחית היא סוג של הדמיה 2D, הגבלת המידע 3D. במקרה של פיצוץ קולון, רק שבר של יונים נפלט במישור זיהוי לתרום לתדמיתה. משמעות הדבר היא כי קשה ליישם השיטה הנהוגה כיום ישירות לתהליכי פיצול מסובכים, כגון המעורבים הדמית מקרה בוחנת 25, 32, 33. נציין כי הסכום של עוצמת האות בשיטה שלנו הוא יחסי ההסתברות במישור זיהוי. זה מייצג מידע עקיף על הממד אינו כלול מטוס ההדמיה 11, 12.

בעוד אנו מתמקדים הדמית פיצוץ קולון במאמר זה, הגישה הנוכחית יכולה להיות, באופן עקרוני, להחיל הדמיה טעונה חלקיקים כלליים, כגון כי מעורב פוטוליזה שמלומד 14. בתוך הקיים הליך הדמיה, כדי לקבל tomogram 2D ​​של כדור 3D ניוטון של חלקיקים טעונים, הקיטוב של אור צריך להיות מקביל את פני הגלאי. במילים אחרות, את זווית המצלמה מוגבלת בתנאים מסוימים. כמו כן, טכניקת דימות 2D הנוכחית, ענן יון 3D הוא פרוס מרחבית לקיצוץ 2D והוא אז צלם. עם הדמיה פרוסה זה, את החופש של זווית המצלמה יפתח דרך להשיג מידע שעד כה-בלתי נצפה שלפעמים מופיע כיוון התפשטות ליזר 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).
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