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Chemistry

Direct Imaging da Laser-driven Ultrafast rotação Molecular

doi: 10.3791/54917 Published: February 4, 2017

Abstract

Nós apresentamos um método para visualizar induzida por laser, ultra-rápidos moleculares dinâmicas pacote de ondas rotacionais. Nós desenvolvemos uma nova configuração de imagens explosão de Coulomb 2-dimensional em que um ângulo da câmara até então impraticável é realizado. Em nossa técnica de imagem, moléculas diatômicas são irradiados com um pulso de laser forte polarização circular. Os iões atómicos ejectadas são acelerados perpendicularmente à propagação de laser. Os iões encontram-se no plano de polarização de laser são seleccionados através da utilização de uma fenda mecânica e fotografada com uma alta taxa de transferência, detector de 2-dimensional instalado paralelamente ao plano de polarização. Porque um (isotrópico) de impulsos de explosão de Coulomb polarizada circularmente é usado, a distribuição angular dos iões observados ejectados corresponde directamente à função de onda quadrada de rotação no momento da irradiação de impulsos. Para criar um filme em tempo real de rotação molecular, a presente técnica de imagem é combinada com uma bomba de femtosegundo-sonda óconfiguração ptical em que os pulsos da bomba criar unidireccional rotativa conjuntos moleculares. Devido à elevada taxa de transferência de imagem nosso sistema de detecção, a condição experimental bomba-sonda pode ser facilmente optimizada através da monitorização um instantâneo em tempo real. Como resultado, a qualidade do filme observado é suficientemente elevada para visualizar a natureza do movimento das ondas detalhada. Observamos também que a presente técnica pode ser implementada em configurações de imagem íon padrão existente, oferecendo um novo ângulo da câmera ou ponto de vista para os sistemas moleculares sem a necessidade de modificação extensa.

Introduction

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Para uma compreensão mais profunda e melhor utilização da natureza dinâmica de moléculas, é essencial para visualizar claramente movimentos moleculares de interesse. Coulomb imagem explosão resolvida no tempo é uma das abordagens poderosas para atingir este objectivo 1, 2, 3. Nesta abordagem, a dinâmica molecular de interesse são iniciadas por um laser de campo ultracurta bomba e, em seguida, são sondadas por um pulso de sonda retardada. Após a irradiação de sonda, as moléculas são multiplamente ionizado e dividida em iões do fragmento devido à repulsão de Coulomb. A distribuição espacial dos iões ejectadas é uma medida da estrutura molecular e orientação espacial na irradiação sonda. Uma sequência de medição de digitalizar o tempo de atraso de bomba-sonda leva à criação de um filme molecular. Vale ressaltar que, para o caso mais simples - moléculas diatômicas - a distribuição angular dos iões ejectadosreflete diretamente a distribuição eixo molecular (isto é, a função de onda de rotação ao quadrado).

No que diz respeito ao processo de bomba, os recentes progressos no controle coerente de movimento molecular utilizando campos de laser ultracurtos levou à criação de pacotes de onda de rotação altamente controladas 4, 5. Além disso, a direcção de rotação pode ser controlada activamente por meio de um campo de polarização de laser controlado-6, 7, 8. Por conseguinte, tem sido esperado que uma imagem detalhada de rotação molecular, incluindo naturezas de onda, pode ser visualizado quando a técnica de imagiologia explosão de Coulomb é combinado com um processo tal bomba 9, 10, 11, 12, 13. No entanto, temos algunsvezes encontrar dificuldades experimentais associados com os métodos de imagem existentes, como mencionado abaixo. O objetivo deste trabalho é apresentar uma nova maneira de superar essas dificuldades e de criar um filme de pacotes de onda de rotação moleculares de alta qualidade. O primeiro filme experimental de rotação molecular tomado com o presente método, juntamente com suas implicações físicas, foram apresentados em nosso estudo anterior 11. O fundo de desenvolvimento, o aspecto teórico detalhado da técnica de imagem presente, e uma comparação com outras técnicas existentes será dada em uma próxima papel. Aqui, vamos concentrar-se principalmente sobre os aspectos práticos e técnicos do procedimento, incluindo a combinação da configuração óptica típica bomba-sonda e o aparelho de imagem nova. Como no trabalho anterior, o sistema alvo é unidireccional rotativa moléculas de nitrogênio 11.

A principal dificuldade experimental daestrutura de imagem, esquematicamente mostrado na Figura 1 existente, tem a ver com o posicionamento do detector, ou o ângulo da câmara. Uma vez que o eixo de rotação coincide com o eixo de propagação de laser 6, 7, 8 em rotação molecular induzida por laser de campo, não é prático instalar um detector ao longo do eixo de rotação. Quando o detector está instalado, de modo a evitar a irradiação a laser, o ângulo da câmara de observação corresponde a um lado de rotação. Neste caso, é impossível reconstituir a orientação original de moléculas a partir da imagem (2D) de iões 14 projectada. A imagem 3D detector 14, 15, 16, 17, 18, 19, com o qual a hora de chegada ao detector superior eo IMPAC ionposições t pode ser medido, ofereceu uma maneira única de observar diretamente a rotação molecular utilizando Coulomb explosão de imagem 10, 12. No entanto, as contagens de iões aceitáveis por um tiro a laser são baixos (tipicamente <10 íons) no detector 3D, o que significa que é difícil criar um filme longo do movimento molecular, com alta qualidade de imagem 14. O tempo morto dos detectores (tipicamente ns) também afeta a resolução da imagem e eficiência de imagem. Também não é uma tarefa simples para fazer uma boa bomba-sonda feixe sobreposição monitorando imagem ion em tempo real com uma taxa de repetição do laser de <~ 1 kHz. Embora vários grupos têm observado pacotes de ondas rotacionais utilizando a técnica de 3D, a informação espacial foi limitado e / ou directa, e uma visualização detalhada de onda natureza, incluindo estruturas nodais complicadas, não foi alcançado 10, 12.

A essência dea nova técnica de imagiologia é a utilização do "novo ângulo de câmara" na Figura 1. Nesta configuração, a exposição feixe de laser de um detector é evitada enquanto o detector 2D é paralelo ao plano de rotação, que conduz à observação da direcção do eixo de rotação. A fenda permite apenas o íon no plano rotacional (nível de polarização dos pulsos de laser) para contribuir para uma imagem. Um detector 2D, que oferece uma taxa de contagem mais elevada (tipicamente ~ 100 iões) do que um detector de 3D, pode ser utilizado. A configuração da electrónica é mais simples do que no caso de detecção de 3D, enquanto que a eficiência é mais elevada medida. Reconstrução matemática, como Abel inversão 14 demorado-, também não é necessária para extrair informações angular. Estas características proporcionam uma fácil a optimização do sistema de medição e para a produção de filmes de alta qualidade. Um aparelho de padrão 2D / 3D imaging-partícula carregada pode ser facilmente modificado para a presente witho configuraçãout a utilização de equipamentos caros.

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Protocol

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NOTA: Através deste protocolo, esclarecer o que realmente fez para desenvolver o presente método. parâmetros exatos, incluindo câmara e design configuração óptica e os tamanhos e tipos de peças, nem sempre são essenciais para aplicar o presente sistema para aparelhos do leitor. A essência dos procedimentos será dado como notas em cada etapa.

1. Construção de um aparelho de imagem-slice 2D

NOTA: Durante esta etapa, todas as peças disponíveis comercialmente e equipamentos, tais como uma bomba de vácuo e um detector, estão instalados de acordo com as instruções do fabricante ou manuais do usuário.

  1. Tal como na construção de um aparelho de imagem típica 2D / ião 3D 14, concepção e construção de uma câmara de vácuo diferencialmente bombeado que tenha espaço suficiente para acomodar uma válvula pulsado, escumadeiras de feixe molecular, a óptica de iões (uma pilha de 100 mm com anéis de 50 mm buraco), uma unidade fora do eixo de imagem ion (apeletrodo ulsed repelente e uma pilha de placas de microcanais apoiados por uma tela de fósforo), e um tubo de voo ion (região deriva mm> 200).
  2. Fixe a válvula pulsada para a partição câmara usando quatro postos de rosca (15 cm, Φ12 mm), para o qual furos de parafusos na partição são concêntricas para a câmara. Instalar os skimmers feixe molecular para a partição câmara em frente do bico usando uma placa de sustento.
    NOTA: Na construção de um aparelho de imagem de iões, é essencial que o eixo do feixe molecular e eixo do feixe de laser se intersectam no eixo da óptica de iões. Para alcançar este objectivo, é conveniente para definir o eixo de feixe molecular como um eixo câmara de fonte. Etapa 1.2 é para esta finalidade. Além disso, os orifícios de skimmer deve estar em linha com o bocal da válvula, assegurando que o centro dos feixes moleculares podem entrar na fase diferencialmente bombeado através de uma escumadeira. Também é importante considerar o peso da válvula pulsada; portanto, suficientemente espessapilares roscados deve ser utilizado para ligar a válvula pulsado a parede divisória. Manter a distância 15 cm entre o bocal e a divisória, a fim de evitar o efeito de reflexão do gás e do skimmer de interferência 20.
  3. Instalar óptica de iões para a fase final da câmara diferencialmente bombeado, como numa configuração de imagem típicos de iões 21.
    NOTA: Este passo é levado a cabo como se segue: Os postes de montagem roscados são aparafusadas para a câmara de partição. Nas mensagens, uma pilha de óptica de íons está bloqueado no local com nozes. Uma vez que os furos de parafuso para as mensagens são concêntricos com a câmara, o eixo da óptica de iões coincida com a do feixe molecular.
  4. Instalar as janelas de vidro ópticas (1 mm de espessura, a 25 mm de diâmetro, sílica fundida), colocando uma P16 O-ring entre uma flange de vácuo com um furo e uma janela, de modo que os impulsos de laser pode intersectar o feixe molecular.
    NOTA: Por meio dessas janelas, pulsos de laser pode acessar os middle de o primeiro e o segundo eléctrodos de iões e intersectam o eixo da óptica de iões.
  5. Construir uma unidade de imagem fora do eixo de iões (Figura 2).
    NOTA: Ao longo deste passo, referir-se à Figura 2 para verificar o arranjo 3-dimensional da unidade. Todas as peças de eléctrodo (o detector de iões e o repelente) são montados na placa de base 100 milímetros com parafusos PEEK, enquanto as outras peças são montadas com parafusos de aço inoxidável. A essência é montar um detector de imagem 2D na região do ião deriva de modo a que a sua superfície do detector é paralela ao eixo de ião óptica e perpendicular ao eixo de propagação de laser. Naturalmente, todas as partes para ser utilizado em alta tensão deve ser electricamente isolado. Recomenda-se que a distância entre o eixo de iões óptica (voo) e a superfície do detector é alguns mm (no caso presente, de 5 mm). Com uma distância maior, vai demorar mais tempo para empurrar os íons a um detector, e uma distância mais curta pode resultar na descarga entre o MCP surface eo defletor pulsada.
    1. Observar a borda das lâminas de fenda (100 mm de comprimento) com um microscópio óptico (~ 30X) e / ou um comparador óptico e confirmar que não há amolgadelas ou arranhões maior do que 30 um localizado na extremidade das pás de fenda.
      NOTA: As lâminas de fenda deve ser montado em paralelo, e não há mossas e riscos são aceitáveis. O desvio da paralela conduz à não homogeneidade de detecção de iões. Um defeito da lâmina degrada a imagem observada (veja a seção de discussão).
    2. Usando pequenas garras de fixação, prender as lâminas de ranhura para o suporte da lâmina de fenda, o qual consiste de um par de placas de alumínio 122.4 mm ligados com uma mola, como em um prendedor. Também inserir uma haste de alumínio afilado para o "pino de roupa."
      NOTA: As lâminas de fenda são montados no lado do botão (ponto de esforço) do pregador. Quando uma haste de alumínio cónica de um lápis forma semelhante afiada é inserida no lado beliscar (ponto de actuação) do clothespin, a largura da fenda torna-se maior com o aumento da profundidade de inserção da haste afunilada (ver Figura 2B). Passos 1.5.2-1.5.4 são para a construção da fenda, cuja largura pode ser ajustado durante a medição de imagem. Se a sintonia largura não é necessário, basta instalar a lâmina de fenda ~ 10 cm a montante do feixe de íons do detector utilizando peças de montagem adequados como garras de metal e vá para o passo 1.5.5.
    3. Fixe a haste de alumínio cônica à passagem direta vácuo movimento linear (micrômetro / base-foles, tamanho ICF70) e montar o suporte da fenda e base para o plano lado de vácuo da passagem direta.
    4. Instalar a unidade de fenda construído acima para um orifício de vácuo ICF70 que é perpendicular tanto ao eixo do detector e ao eixo voo de iões.
      NOTA: A posição é ~ 10 cm a montante do feixe de iões a partir do centro do detector.
    5. Definir a largura da fenda a 1 ± 0,1 mm utilizando um micrômetro.
      NOTA: Por exemplo, a utilização de uma fenda de 1 milímetro para o 50-mm Newton esfera (cloud ion) corresponde a% de corte 2, que é maior na resolução do que a técnica fatia padrão 22. A largura da fenda determina a resolução fatia; no entanto, menores larguras levar a sinais mais fracos.
    6. Instalar um eléctrodo repelente pulsado de retangular (115 milímetros x 160 mm x 3 mm) chapas de aço inoxidável, tal como na Figura 2.
      NOTA: O repelente de impulsos deve ser paralelo ao detector, para assegurar a homogeneidade do campo eléctrico pulsado entre eles.
    7. Instalar um detector de iões sensíveis à posição consiste de uma pilha de placas de microcanais apoiados por um ecrã de fósforo de modo que seja paralelo ao repelente pulsada; seguir o procedimento de montagem padrão 14, 23.
    8. Instalar um visor de vácuo montado na flange com uma junta de vedação de cobre a parte de trás da tela de fósforo.
  6. Ligar a ótica de íons para fontes de alimentação de alta tensão e as partes da detector (a defletor pulsada, placas de microcanais, e uma tela de fósforo) para pulsado fontes de alta tensão (~ 50 ns tempo de subida / descida) através de orifícios de passagem dos atuais.
    NOTA: É preciso ter cuidado para garantir que os cabos não interrompa a observação de tela de fósforo através da janela de exibição.
  7. Ligar a válvula pulsado para a entrada de gás (3% de gás N2 em Ele; pressão total de 3 MPa) com um tubo de aço inoxidável e ao controlador de válvula com um par de fios de cobre com revestimento.
    NOTA: Ambas as conexões passam por orifícios de passagem de vácuo.
  8. Virar a bombas de vácuo e em ajustar a pressão da câmara de detector de imagem inferior a 10 -4 Pa, mesmo quando a válvula é pulsada em operação.
    NOTA: Uma pressão mais elevada pode levar a danos do eléctrodo de alta tensão e detectores. Quando a pressão é mais elevada, bombas maiores ou a redução da taxa de repetição da válvula é necessária. Utilizando a presente câmara e da válvula pulsada, um feixe molecular nitrogênio com um Rotational a temperatura inferior a 6 K pode ser gerado 11. A esta temperatura de rotação, 99% das moléculas são no estado j ≤ 2 (J é o número quântico de rotação).

2. Construção de uma bomba-sonda Setup Optical

NOTA: Para este passo, ver Figura 3 para compreender onde e como os passos seguintes são realizados. O objetivo desta etapa é criar três fs pulsos colineares de um Ti comercial: Amplificador de laser de safira para o experimento pump-probe 11. O primeiro impulso foi de alinhamento molecular (linearmente polarizado, o comprimento de onda centro de 820 nm, a intensidade do pico <30 TW / cm 2), a segunda, para o controlo de direcção (uma réplica retardada da primeira, excepto para a polarização linear 45 ° inclinado em relação ao eixo de polarização da primeira pulsação), e a terceira foi o sonda de imagem explosão de Coulomb (polarizada circularmente, 407 nm, 1 00 fs, 600 TW / cm 2). Ao longo deste passo, todas as peças disponíveis comercialmente e equipamentos, tais como um verificador de polarização e uma fase óptica, são instaladas e usadas de acordo com as instruções do fabricante ou manuais do utilizador.

NOTA: Durante esta etapa, todos os componentes ópticos são instalados e utilizados de acordo com os procedimentos padrão de experiências ópticas e manual do fabricante para o sistema ótico. Todos os espelhos de torneamento e dicróicas utilizados são espelhos de múltiplas camadas dielétricas, a fim de evitar a perda de potência do laser durante as muitas reflexões no caminho óptico. Algumas das ópticas e cristais utilizados são mostrados na lista de materiais para este artigo.

  1. Rodar o (Ti: safira amplificador) femtosecond laser sistema e adquirir uma saída de laser de mais do que 1,5 mJ / pulsação, uma duração de 35 ~ fs, um comprimento de onda centro de 820 nm, e uma taxa de repetição de 500 Hz.
  2. Preparar um percurso óptico do impulso de sonda (imagiologia)ef "> 10, 11, 12.
    1. Instalar um cristal não-linear (BBO, tipo I, espessura 0,2 mm, 29,2 °, para a segunda harmónica geração de uma luz de 820 nm) no percurso óptico de 820-nm para obter as segundas harmónicas (> 0,2 MJ) do saída do laser 820 nm fundamental. Utilizar a segunda harmónicas geradas (407 nm de luz) como um pulso de sonda depois de ter sido reflectida pelos espelhos dicróicos e separada da luz fundamentais 820 nm.
    2. Construir um caminho óptico, como mostrado pela linha azul na Figura 3. Usando de orientação de feixe espelho monta, alinhar este feixe a passar através do centro de ambas as janelas instaladas no passo 1.4.
      NOTA: Os componentes principais consistem de um atenuador (a combinação de meia-placa ondulada e um polarizador), uma fase linear motorizado para digitalização de atraso, e para o ajuste waveplates polarização.
  3. Preparar um percurso óptico para a bomba (ex rotacionalcitação) pulsa 24, 25, 26.
    1. Construir um caminho óptico, como mostrado pela linha a vermelho na Figura 3, e se obter um par de tempo e de polarização-sintonizável fs pulsos.
      NOTA: O residual de pulso de 820 nm (~ 1 mJ) após a segunda harmónica geração no passo 2.2.1, ejectada a partir do espelho dicróico, é usada para criar estes impulsos da bomba. A energia de pulso típico de cada pulso da bomba é de 0,25 mJ. Os componentes principais consistem de um atenuador (a combinação de meia-placa ondulada e um polarizador), um divisor de feixe de 50:50, uma fase linear para ajuste manual do tempo de atraso, waveplates para a sintonização de polarização, e um telescópio para o local-de tamanho optimização.
    2. Ao ajustar a inclinação das montagens de espelho no trajecto óptico, alinhar o par de vigas de bomba a ser paralelo e fazer o seu centro de passar através do centro de ambas as janelas instaladas no passo 1.4.
      NOTA: Para verificar isso, umferramenta de alinhamento, um bloco de alumínio com papel gráfico em anexo, é usado. A ferramenta pode ser colocado na mesma posição com elevada reprodutibilidade utilizando o furo roscado de uma mesa óptica. Dois furos em linha são escolhidos como um guia do caminho paralelo. À medida que a ferramenta de alinhamento está posicionado em um dos furos seleccionados, os feixes são alinhados de modo que atingem o mesmo ponto da ferramenta de alinhamento. Repetir o posicionamento da ferramenta e o alinhamento do feixe até que o feixe atinge o mesmo ponto da ferramenta para ambas as posições de alinhamento da ferramenta. Uma vez que os orifícios dos parafusos na mesa óptica estão em linha com elevada precisão, estes processos levam à criação das vigas paralelas.
  4. Ajustar os estados de polarização dos impulsos.
    1. Instalar um verificador de polarização pouco antes de os impulsos de entrar na câmara para que os pulsos de laser atingiu o detector do verificador.
    2. Ajustar o ângulo dos waveplates usando uma ótica de rotação de montagem em cada opticaminho de cal. Obter o pulso polarizada circularmente sonda, o pulso polarizado verticalmente primeira bomba, eo pulso polarizada linearmente segunda bomba; para a segunda bomba, inclinar o plano de polarização 45 ° da da primeira bomba.
      NOTA: Com o uso de um verificador de polarização, o estado de polarização de cada impulso pode ser visualizado como uma intensidade de transmissão dependente do ângulo polar. Para obter uma polarização circular, ajustar o ângulo de placa ondulada para conseguir uma imagem isotrópica, por exemplo.
    3. Remover o verificador de polarização a partir do caminho óptico.
      NOTA: A primeira bomba inicia indefinido direção-rotação 4, 9, 10. Na altura do alinhamento molecular instantânea, a segunda bomba é irradiada para criar um binário assimétrica e para iniciar a rotação unidireccional 12, 13. Uma vez que um pulso de sonda polarizada circularmente ioniza the moléculas sem preferências angular no plano de polarização, que é apropriado para uma medição da distribuição angular.
  5. Encontrar a sobreposição temporal de cada pulso.
    1. Instalar um cristal não-linear (BBO, 0,2 mm de espessura, tipo 2, para a terceira harmónica geração de luz de 820 nm), uma janela óptica que tem a mesma espessura (3 mm) como a soma da janela da câmara (1 mm) e a lente de focagem plano-convexa (2 mm), e um prisma de dispersão pouco antes dos impulsos de entrar na câmara.
      NOTA: Um procedimento padrão para determinar o (sobreposição temporal da bomba e pulso sonda) no experimento de bomba-sonda tempo zero é detectar uma resposta não-linear, a qual só é observada quando a bomba e o pulso sonda interagir simultaneamente com um meio de . Aqui, a sobreposição temporal do impulso de sonda de 407 nm e a 820 nm de impulsos da bomba no cristal não linear conduz a uma geração de 267 nm. Temos para estimar a sobreposição temporal dos feixes na VAcâmara ente enquanto a etapa 2.5.1 é realizada antes dos pulsos entrar na câmara (ea janela lente e câmara de focagem). Portanto, para compensar o tempo de atraso introduzida pela janela da câmara e a lente de focagem, uma janela óptica de 3 mm é instalado. Duas bombas e uma sonda de passar através da janela e, em seguida, o cristal, e eles são, subsequentemente, disperso por um prisma. Coloque uma folha de papel branco após o prisma para detectar a geração dos 267 nm terceiros harmônicos como uma fluorescência branco-azul. Todas as partes mencionadas são montadas sobre um suporte óptico.
    2. Bloquear a linha de bomba 2 na Figura 3 com um dumper feixe.
    3. Pressionando o botão movimento em um controlador de fase, fazer a varredura do estágio motorizado e encontrar um 267 geração nm.
      Nota: Quando o comprimento do percurso óptico dos impulsos da bomba e a sonda são os mesmos dentro da duração dos impulsos de laser, um sinal de terceira harmónicas aparece. Esta posição de fase é considerado como tempo 0, durante a qual a bomba e asonda estão batendo simultaneamente as moléculas.
    4. bomba de bloco 1 e uma bomba de desbloqueio 2 (remova o dumper feixe).
    5. Digitalizar o estágio manual baseado mm instalado na linha de bomba 2 e encontrar a posição em que a emissão de 267 nm ocorre.
    6. Remover o cristal, a janela, e o prisma da linha óptica.
      NOTA: Nesta fase, os três pulsos são temporariamente sobreposta para o feixe molecular dentro das durações laser. A resolução de tempo da configuração pode ser medido como uma correlação cruzada, monitorando e traçando a energia 267 nm durante a digitalização da platina motorizada no caminho sonda. Na presente configuração, o largura à meia altura da função de correlação é ~ 120 fs. A largura de pulso é otimizado para obter a maior potência de saída das segundas harmónicas. Após o segundo harmônico geração, os pulsos de passar por lentes de vidro, waveplates, espelhos dicróicos, polarizadores, e janela da câmara, levando a um pio. Uma vez que o atraso de grupo dispersion dos materiais na região de 400 nm é muito maior do que na região de 800 nm, que minimizar a óptica de transmissão do caminho de sonda. Para melhorar a resolução de tempo, a administração de dispersão, incluindo um sistema de espelho piava, será útil.

3. Configuração de um Sistema de Medição

NOTA: Durante esta etapa, todas as peças disponíveis comercialmente e equipamentos, como um geradores de fornecimento de energia e atraso, são instalados e utilizados de acordo com as instruções do fabricante ou manuais do usuário.

  1. sincronização de pulso
    1. Divida a saída 80.8 MHz de um oscilador femtosegundo a 500 Hz com uma frequência divisor rápido, e usar esta saída dividido para acionar gerador de atraso digital 1 e um amplificador de fs.
    2. Use uma das saídas com atraso de gerador de atraso de 1 como um gatilho para a válvula pulsada.
      NOTA: limitar a taxa de repetição da válvula para manter aceitável VacuUM condições (menos de 10 -3 Pa, por exemplo). Neste caso, defina o valor para 250 Hz.
    3. Instalar um fotodiodo rápido equipado com um filtro de transmissão de 400 nm logo após as vigas de sair da câmara, e usar a saída deste diodo como um gatilho para o gerador de atraso digital 2.
      NOTA: O pulso sonda é utilizada como uma origem de tempo para a electrónica de imagem de iões.
    4. Ligue três interruptores de alta tensão de gerador de atraso digital 2 com cabos coaxiais.
  2. Ligue todas as fontes de alimentação de alta tensão e liga-se.
  3. Aumentar a tensão para os valores-alvo.
    NOTA: As tensões alvo depende do tamanho do aparelho e do sistema de interesse. Os valores típicos no presente caso são mostrados na legenda da Figura 1. Para obter imagens sem distorções, afinar as tensões de polarização é necessário 13 (veja o passo 4.1.7). Um rápido aumento do valor de tensão pode resultar na descargaou dano ao sistema eletrônica. Sugerimos um aumento de menos do que 100 V / s para a operação diária e um aumento de 100 V / 300 s para a primeira utilização no vácuo.
  4. A instalação e posicionamento da câmara de imagem
    1. Instalar uma câmera digital equipada com uma lente de câmera f = 25 mm no pós óptico na frente da janela de visualização de vácuo definiu no passo 1.5.5. Certifique-se de que o eixo da câmara é perpendicular à superfície do detector. Porque a janela é perpendicular ao nível do chão, use um guia de nível de água para alinhar a base da câmera na horizontal em relação ao chão.
      NOTA: Os ajustes finos da posição são feitas em uma etapa posterior.
    2. Instalar um ventilador de refrigeração para a câmera de modo que o vento bate a câmera na parte de trás.
    3. Cobrir a região entre a lente eo visor de vácuo com uma cortina para que a luz não desejada, tal como a iluminação ambiente da sala, não entra na câmera.
    4. Ligue a câmara a um computadoratravés de uma porta USB 3.0.
    5. Inicie o software de controle de câmera e maximizar o ganho da câmera, digitando o valor máximo na seção do software de controle de ganho.
    6. Defina o tamanho da imagem para tipicamente 1.200 x 750 pixels.
      NOTA: Apesar de um tamanho de imagem maior leva a uma maior resolução, a taxa de dados da porta USB 3.0 limita a taxa de quadros aceitável. Nas configurações presentes, mais de 250 fps pode ser alcançado, o que é suficientemente elevada para obter uma imagem para cada carga de impulso de gás (250 Hz).
    7. Iniciar a captura de imagens com a câmera clicando no botão "Grab". ajustar manualmente a posição da câmara de modo a que a imagem cobre toda a área do detector 2D. Fixar a câmera de montagem com um parafuso.
    8. Ao monitorar uma imagem em tempo real capturou, ajuste o anel de foco da lente da câmera para que o tamanho ponto brilhante ion torna-se o mínimo.

4. medições

NOTA: A mim Método asurement usada aqui é uma combinação de procedimentos relatados 14, 27 e a presente configuração de imagem. Ao longo desta etapa, todas as peças disponíveis comercialmente e equipamentos, tais como a eletrônica de alta tensão, sejam instalados e utilizados de acordo com as instruções do fabricante ou manuais do usuário.

  1. Encontrar o sinal e otimizar as configurações para a imagem latente ion
    1. Bloquear os impulsos da bomba do sistema óptico com um dumper feixe.
    2. No meio de o primeiro e o segundo eléctrodos da óptica de iões, instalar uma lente plano-convexa (F = 120 mm) para concentrar o pulso de laser sonda para o feixe molecular.
    3. Defina o tempo dos interruptores de alta tensão (a saída do gerador de atraso digital) para a hora prevista de chegada do N 2 + ion, que fornece a maior intensidade de sinal sob a condição atual de gás 14,s = "xref"> 27.
      NOTA: O tempo de chegada pode ser calculada a partir dos desvios de óptica de iões e a distância de voo, juntamente com a razão massa-carga do ião alvo 28. Caso contrário, o tempo de varredura é a outra solução para a detecção de um sinal.
    4. Enquanto monitora a imagem ion, ajustar a posição da lente com um xyz-palco e o tempo de pulsação de gás (a saída do gerador de atraso digital), e adquirir o maior sinal (imagem mais brilhante e maior).
    5. Alterar o tempo dos interruptores de alta tensão para a Coulomb explodiu N 2 + canal 14, 27.
      Observação: Uma vez que a razão massa-carga de N 2+ é quatro vezes menor do que a de n + 2, o tempo de chegada de N 2+ é quase duas vezes mais rápido do que o de N 2 +.
    6. Diminuir a taxa de quadros da câmera para ~ 20 fps e aumentar o tempo de exposição a 50 ms.
      NOTA: Com estedefinição, a imagem da câmara inclui o sinal para 12 cargas de impulso de gás. Embora isso leva à sobreposição de alguns íons, podemos facilmente avaliar e reconhecer a forma grosseira da distribuição de íons.
    7. Ajuste os preconceitos ion óptica para que a distribuição de íons observado torna-se uma elipse sem distorções.
      NOTA: A diminuição da diferença de polarização entre o primeiro e o segundo eléctrodos resulta no alongamento da direcção vertical (eixo óptica iónica) no presente arranjo 29, 30. Os terceiros ou posteriores óptica são utilizados para o ajuste fino da forma. A distorção da elipse degrada a resolução angular reconstruída a partir da imagem.
  2. Encontrar uma sobreposição espacial pump-probe
    1. Desbloquear bomba 1, a remoção de um dumper feixe, mas manter bloqueada bomba 2.
    2. Ajuste o telescópio para localizar a cintura do feixe do pulso bomba num feixe molecular.
      NOTA: Não chaESL a posição da lente de focagem na frente do indicador da câmara, que é optimizado para a sonda de pulso.
      NOTA: Este procedimento pode ser realizado por reflectindo os raios laser para o espaço livre, sob pressão atmosférica, pouco antes de entrar na câmara de vácuo. Ao medir a distância focal para a mesma lente de entrada, o telescópio podem ser optimizados.
    3. Cuidadosamente ajustar a posição do ponto do feixe de bomba com espelho de alta resolução montar 1 (Figura 2), e encontrar o sinal melhorada na imagem ion devido à sobreposição pump-probe. Antes ou depois disso, para definir t ~ 4 PS movendo uma fase de atraso de 600 uM para a frente. Encontre a imagem fortemente anisotrópica ao longo da bomba 1 polarização.
      NOTA: Devido a sobreposição tempo foi aproximadamente otimizado na etapa 2.5, somente a sobreposição espacial precisa ser ajustada. Se as constantes ou pacotes de onda dinâmica rotacional são conhecidos para a molécula-alvo, uma opção alternativa é definir o atraso sonda a um instantaneoué hora de alinhamento molecular. Por exemplo, pode ocorrer a Δ T ~ 1/2 B, onde Δ t é a diferença de tempo entre o pulso de bomba e sonda e B é a constante de rotação em Hz 10, 11. Para N 2, ~ 8,3 ps. Em tal momento, a sobreposição espacial bomba-sonda leva à distribuição de iões que mostra o máximo na direcção de polarização da bomba (vertical no caso presente) e o mínimo no eixo perpendicular. É mais fácil encontrar tal assinatura alinhamento em comparação com o reforço em bruto obtido Δ t ~ 0. No que diz respeito à mudança da Δ t, notar que, de acordo com a velocidade da luz, um movimento de 5 um a fase corresponde a 33.356 ~ FS.
    4. bomba de bloco 1 e uma bomba de desbloqueio 2.
    5. Repita o passo 4.2.3 para a bomba 2. Encontrar uma sobreposição pump-probe para a bomba 2, ajustando montar espelho de alta resolução de 2 (Figura 2), mantendoo caminho óptico da bomba 1 inalterada.
      NOTA: Certifique-se de que a polarização da bomba 2 é inclinada de modo que o alinhamento é observado ao longo de uma direção oblíqua quando o tempo está definido para o tempo de alinhamento.
  3. Resumidamente observar a dinâmica de rotação unidireccional
    1. Desbloquear bomba 1. Defina o tempo de atraso entre as bombas 1 e 2 para o alinhamento de tempo (por exemplo, 4,0 ps para um caso de N 2 10, 11) com a fase 1 atraso Manual na Figura 2.
    2. Verifique para determinar se a rotação unidirecional pode ser reconhecido a partir de imagens da câmera como o atraso sonda é digitalizado (com um palco motorizado ou manual).
      NOTA: Quando todos os procedimentos acima são bem feito, pode-se ver as imagens em que a região mais brilhante gira suavemente em uma direção, como o atraso sonda é digitalizada. Se tal filme não pode ser visto, repita cuidadosamente passos 4,1-4,2. O efeito deriva da opsuportes ticos, por vezes degrada a sobreposição do feixe.
      NOTA: De acordo com a velocidade da luz, um movimento de 5 um a fase corresponde a 33.356 ~ FS. Para fins meramente de observação, os procedimentos acima referidos são suficientes. Para a gravação e análise detalhada do movimento, ir para os passos seguintes.
  4. medições de configuração
    1. Aumentar a taxa de quadros da câmera para 250 fps e diminuir o tempo de exposição a ~ 4 ms.
      NOTA: Um quadro da câmera corresponde a uma imagem para um laser de carregamento de pulso shot / gás.
    2. Inicie o programa de medição, que controla os instrumentos, capta as imagens, e analisa e visualiza dados.
    3. Clique no botão executar e capturar 1.000 imagens enquanto bloqueia os raios de bomba.
    4. Numericamente encaixar a imagem somado com uma elipse e obter o ε elipticidade e o centro da elipse (x 0, y 0).
      NOTA: Quando uma imagem ha cruas mais de uma elipse, devido aos múltiplos canais da explosão de Coulomb, limitar a região de interesse e utilizar apenas uma das elipses.
    5. Capturar 100.000 imagens enquanto bloqueia os raios de bombas e usar a imagem obtida como uma referência somente sonda.
      Observação: A razão sinal-ruído da imagem de referência só de sonda afecta a qualidade da distribuição angular. Portanto, um tempo relativamente longo de medição (~ 400 s) é levada para esta etapa.
  5. Tomando um filme de rotação molecular unidireccional
    1. Desbloquear os feixes de bomba.
    2. Defina o tempo de sonda para um valor negativo (t ~ -100 fs, ou seja, antes que os feixes de bomba).
    3. Comece o ponto de medição, incluindo as seguintes etapas
      1. Capturar uma imagem. Encontrar o centro de massa-coordenadas de cada ponto de iões brilhante, e binarize a imagem através da atribuição de "1" para o centro de massa e as coordenadas "0" para os outros pixels 27
      2. Resumir as imagens binarizadas para 10.000 quadros da câmera definindo "o número de imagens" caixa de entrada do programa para 10.000.
        NOTA: Para evitar o efeito de saturação, ajustar a profundidade de imagem da imagem somados para 16 bits.
      3. Converter a câmara de coordenadas (x, y) de coordenadas polares usando a elipticidade ε determinado no passo 4.4.4.
        NOTA: Este processo é completado como se segue: Na região elíptica de interesse, todas as coordenadas de pixel (x, y) são convertidas em suas coordenadas polares em relação & Phi usando a seguinte equação:
        equação 1
        NOTA: Este passo é equivalente para a expansão de imagem na direcção vertical quando a conversão de uma elipse com um círculo.
      4. Converter a imagem obtida para um diagrama polar em que a intensidade do sinal angular-dependente é representada como a distância a partir da origem.
        NOTA: Angle-dependente probabilidade P (Φ) é calculado usando a seguinte equação:

        equação 2
      5. Normalizar o enredo polar, dividindo-o pelo da referência somente-sonda.
        NOTA: Este passo calibra tanto a polarização circular incompleta do impulso de sonda e a não homogeneidade do detector de imagem.
      6. Mova o tempo de sonda para a frente por ~ 33.356 fs.
        NOTA: Um deslocamento 33,356-FS do tempo de sonda corresponde a um movimento de 5 um a fase linear motorizado.
    4. Continue o ciclo até que pelo menos um período de rotação avivamento, 1/2 B (~ 8,3 ps para N2), é passado após o tempo da bomba 2.

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Representative Results

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Figura 4A mostra uma imagem crua somente sonda do N 2+ expulso após irradiação sonda (explosão de Coulomb), tomada por uma sonda laser tiro. Cada ponto brilhante corresponde a um ião. Figura 4B mostra uma imagem resumida de 10.000 imagens de câmera crua binarizadas. Estas imagens mostram que a nossa estrutura de imagem pode monitorar as moléculas de todos os ângulos de orientação do plano de polarização. A Figura 4C mostra o diagrama polar normalizado correspondente à da Figura 4B. Porque o pulso de controle de rotação (bomba) estava ausente, a distribuição é isotrópico (Figura 4C mostra um círculo).

Na Figura 4B, um pequeno defeito devido ao detector de falta de homogeneidade pode ser visto na parte inferior da elipse. Tal defeito aparece sempre na mesma posição da imagem. Portanto, cum ser compensada por normalizar as imagens observadas com uma imagem única sonda (passo 4.5.3.7).

A Figura 5 mostra fotografias tiradas após a irradiação dos dois impulsos bomba seleccionada. De modo a melhorar a compreensão, não apenas as imagens de iões observados, mas também as correspondentes parcelas polares e "halteres" modelo imagens são mostradas como uma função do tempo de sonda. Os gráficos polares são criados no passo 4.5.3.5. A imagem dumbbell é uma imagem sobreposta de halteres de vários ângulos de orientação, e seus pesos (opacidade) são as probabilidades angulares observados. A sequência de imagens forma um filme claro de rotação molecular unidireccional. A natureza onda de movimento pode ser visto como as estruturas nodais complexas e a dispersão, incluindo um "X" formação -shape.

A Figura 6 mostra uma imagem de iões tomado com uma fenda danificado e aphotograph da borda de fenda com um dente. Um pequeno defeito afeta grande parte a imagem observada. Em tal caso, repetindo o passo 1.5 é necessário. Este fato também é discutido na seção de discussão.

A Figura 7 mostra a imagem Camera Raw na condição de sobreposição pump-probe otimizado. Ao monitorizar um tal sinal de sobreposição do feixe, os caminhos ópticos podem ser optimizados. Isto leva a um filme claro, como na Figura 5.

figura 1
Figura 1: Diagrama conceitual dos ângulos de câmera nas configurações impraticáveis, típicos, e novos. No ângulo da câmara típica, um detector está instalado para evitar a exposição à radiação laser, mas os ângulos de ejecção de iões não pode ser reconstruído a partir da imagem projectada 2D. No presente novo ângulo, câmera, o plano de rotação (polarizat a laserplano de iões) é paralela à superfície do detector e é, portanto, adequado para a visualização do movimento de rotação. tensões de polarização típicas são de 2.500 V, 1.799 V, 1.846 V, 253 V, 0 V, 3.500 V, -800 V e 4.500 V para o sistema ótico de íon 1, 2, 3, 4 e 5, o defletor pulsada, as placas de microcanais e tela de fósforo, respectivamente. A numeração óptica íon começa no eléctrodo inferior. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2
Figura 2: diagramas esquemáticos da unidade de imagem 2D. (A) Diagrama esquemático do conjunto detector. Uma placa círculo colorido em laranja é uma placa de base a que as outras partes são montados com parafusos. (B) Diagrama esquemático da montagem de fenda. A imagem da direitaexplica o movimento da fenda. Os valores de tamanho estão em mm. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3
Figura 3: Diagrama esquemático da configuração óptica presente pump-probe. Os caminhos ópticos dos impulsos da bomba para a excitação de rotação são ilustradas pelas linhas vermelhos, enquanto que o impulso de sonda (imagem) é mostrado pela linha azul. NLC, cristal não-linear para a geração de segundo harmônico; HWP, meia placa ondulada; QWP, quarto de placa ondulada; DM, espelho dicróico; BS, 50:50 feixe divisor; HRM: espelho de alta resolução de montagem. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

ithin-page = "1"> Figura 4
Figura 4: Raw e analisados Coulomb explodiu imagens íon. (A) A imagem típica crua de N 2 + tomada por uma sonda tiro. (B) imagem somados para 10.000 imagens da câmera binarizadas. O tamanho da imagem da câmera é de 1.200 x 750 pixels. O tamanho-espaço real correspondente é de 80 mm x 50 mm. (C) O diagrama polar normalizada construída a partir da imagem somados. Nas imagens cruas e somados, cor falsa foi adicionado para mostrar a intensidade do sinal. Os ângulos polares em graus estão apresentados ao longo da circunferência. O valor radial é uma probabilidade dependente do ângulo (unidade arbitrária). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

4917fig5.jpg "/>
Figura 5: instantâneos seleccionados da dinâmica pacote de ondas de rotação induzida por laser. Em cada intervalo de tempo, o painel superior mostra a imagem de iões em que a forma elíptica foi convertido a um círculo. O painel do meio mostra o gráfico polar correspondente. O painel inferior mostra um modelo haltere da distribuição angular. Esta imagem dumbbell é uma imagem sobreposta de halteres de vários ângulos de orientação, e seus pesos (opacidade) são as probabilidades angulares observados. O diagrama polar utiliza o mesmo aparelho e escala como na Figura 4. A imagem ion emprega coordenadas transformadas, como no passo 4.5.3.4. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6
Figura 6:Efeito do defeito de fenda na imagem ião experimental. (A), apenas sonda-N imagem observada 2+ tomado com uma fenda danificado. (B) Fotografia da borda fenda, com um dente sub-mm. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 7
Figura 7: imagem Camera Raw na condição de sobreposição pump-probe otimizado. O tempo de detecção é definida em t = 4.0 ps após a primeira irradiação de pulso bomba. Neste momento, é obtido o máximo grau de alinhamento molecular. O tamanho da imagem da câmera é de 1.200 x 750 pixels. O tamanho-espaço real correspondente é de 80 mm x 50 mm. Por favor cliqueaqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

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O presente processo permite captar um filme em tempo real de rotação molecular com uma estrutura de imagem 2D baseada em fenda. Uma vez que os iões observados passar através da fenda, passo 1.5 representa um dos passos essenciais. Os bordos das lâminas de fenda tem de ser afiada. Quando há um pequeno defeito, tal como um dente 0,3 milímetros na fenda, um zero é observado na imagem de iões (Figura 6). Em tal caso, a lâmina de fenda deve ser polida com uma lixa de grão 2000 molhado.

Além do ângulo de câmara única mostrado na Figura 1, este método tem várias vantagens sobre o detector de imagem 3D, que anteriormente era a única solução para a imagiologia pacote de ondas de rotação.

Em primeiro lugar, no presente processo, o alinhamento do feixe óptico pode ser realizada facilmente através da monitorização de iões de imagens em bruto, tal como nos passos 4,1-4,2. A Figura 7 mostra a imagem Camera Raw na condição de sobreposição pump-probe otimizado. Quando o pUMP-sonda de sobreposição do feixe é perdida, anisotrópica ou assinaturas de imagem melhorada não pode ser vista, como na Figura 4A. Este facto sublinha a importância de passos 4,1-4,2 no presente método. Uma vez que os tamanhos de ponto de as vigas de bomba e a sonda são da ordem de 10 um, é geralmente difícil de encontrar uma condição de sobreposição óptima sem que a monitorização em tempo real imagens. No caso de um detector de imagem 3D, vários segundos são necessários para formar uma imagem com pontos de dados suficiente (pelo menos 1.000 iões) quando é empregue uma 1.000 Hz ou inferior a laser de taxa de repetição, porque a taxa de contagem é limitada a alguns eventos por laser de um tiro no detector 3D. No presente método, por outro lado, a taxa de contagem é essencialmente ilimitado, e o número de iões por quadro pode ser aumentada simplesmente por estender o tempo de exposição. No presente caso, mais do que 1.000 iões são detectados dentro do tempo de exposição de 50 ms.

A elevada taxa de contagem da presente método também leva para um tempo de aquisição de dados mais curtos. Porque a taxa de quadros da câmera é de 250 fps, leva apenas ~ 40 s para tirar um instantâneo do movimento molecular em um determinado momento. Para a medição durante o mesmo tempo avivamento rotação molecular (~ 8,4 MA) com um passo ~ 33 fs, o tempo de medição é de apenas algumas horas. Esta é uma outra vantagem, porque os dados experimentais seria degradado pela estabilidade a longo prazo limitada dos lasers e toda a instalação experimental. Na nossa configuração, por exemplo, a duração de tempo muda com o tempo, em parte devido à alteração de temperatura no amplificador FS. A mudança de 3-K dentro de 6 h resultou na expansão térmica do amplificador, incluindo o alongamento da distância entre as grades compressor de pulso, que conduz ao alongamento da duração do impulso 31. desvio do feixe de laser, o que degrada o sinal da dinâmica induzida por bomba, também foi detectado dentro de ~ 8 horas, embora a origem desta deriva não foi identificado.

t "> A presente técnica é um tipo de imagem 2D, o que limita a informação em 3D. No caso de uma explosão de Coulomb, apenas o fragmento de iões ejectados no plano de detecção contribuem para a imagem. Isso implica que é difícil de aplicar o presente método directamente para processos de fragmentação complicados, tais como aqueles envolvidos em imagiologia coincidência estuda 25, 32, 33. Fazemos notar que a soma de a intensidade do sinal com o nosso método é proporcional à probabilidade no plano de detecção. Este representa a informação indirecta sobre a dimensão não incluído no plano de imagem 11, 12.

Enquanto nos concentramos em imagiologia explosão Coulomb neste artigo, a presente abordagem pode ser, em princípio, aplicado ao processamento de imagem de partículas carregadas geral, como que envolvido em fotodissociação estuda 14. Noprocedimento de imagem existente, para se obter um tomograma 2D 3D de uma esfera de Newton de partículas carregadas, a polarização da luz deve ser paralela à superfície do detector. Em outras palavras, o ângulo da câmara está limitado a condições particulares. Além disso, na técnica de imagem 2D presente, uma nuvem de iões 3D é espacialmente cortado a um corte 2D e é então fotografada. Com esta imagem fatia, a liberdade do ângulo da câmera irá abrir um caminho para obter informações até então não observado que às vezes aparece na direção de propagação do laser 26, 34.

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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

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References

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Direct Imaging da Laser-driven Ultrafast rotação Molecular
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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).

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