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Chemistry

लेजर चालित ultrafast है आण्विक रोटेशन के प्रत्यक्ष इमेजिंग

doi: 10.3791/54917 Published: February 4, 2017

Abstract

हम लेजर प्रेरित, ultrafast आणविक घूर्णी लहर पैकेट गतिशीलता visualizing के लिए एक तरीका मौजूद है। हम एक नया 2-आयामी Coulomb विस्फोट इमेजिंग सेटअप जिसमें एक अब तक-अव्यावहारिक कैमरा कोण एहसास हो रहा है विकसित किया है। हमारे इमेजिंग तकनीक में, द्विपरमाणुक अणुओं एक चक्राकार ध्रुवीकरण मजबूत लेजर पल्स के साथ विकिरणित हैं। निकली परमाणु आयनों लेजर प्रचार के लंबवत त्वरित हैं। आयनों लेजर ध्रुवीकरण विमान में पड़ी एक यांत्रिक भट्ठा के उपयोग के माध्यम से चयन किया और एक उच्च throughput के साथ imaged हैं, 2-आयामी डिटेक्टर ध्रुवीकरण विमान के समानांतर स्थापित किया। क्योंकि एक चक्राकार ध्रुवीकरण (isotropic) Coulomb विस्फोट पल्स प्रयोग किया जाता है, अलग हो आयनों की मनाया कोणीय वितरण सीधे पल्स विकिरण के समय में चुकता घूर्णी लहर समारोह से मेल खाती है। आणविक रोटेशन की एक वास्तविक समय फिल्म बनाने के लिए, वर्तमान इमेजिंग तकनीक के लिए एक femtosecond पंप जांच ओ के साथ संयुक्त हैptical सेटअप जिसमें पंप दालों unidirectionally आणविक टुकड़ियों घूर्णन बनाएँ। हमारे पता लगाने प्रणाली की उच्च छवि throughput के कारण, पंप जांच प्रयोगात्मक हालत आसानी से एक वास्तविक समय स्नैपशॉट की निगरानी के द्वारा अनुकूलित किया जा सकता। नतीजतन, मनाया फिल्म की गुणवत्ता गति की विस्तृत लहर प्रकृति visualizing के लिए पर्याप्त रूप से उच्च है। हम यह भी ध्यान दें कि वर्तमान तकनीक मौजूदा मानक आयन इमेजिंग setups में लागू किया जा सकता है, व्यापक संशोधन की आवश्यकता के बिना आणविक प्रणाली के लिए एक नया कैमरा कोण या दृष्टिकोण की पेशकश की।

Introduction

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एक गहरी समझ और अणुओं की गतिशील प्रकृति के बेहतर इस्तेमाल के लिए, यह स्पष्ट रूप से ब्याज की आणविक गतियों कल्पना करने के लिए आवश्यक है। समय हल Coulomb विस्फोट इमेजिंग शक्तिशाली दृष्टिकोण इस उद्देश्य को 1, 2, 3 को प्राप्त करने में से एक है। इस दृष्टिकोण में, ब्याज की आणविक गतिशीलता एक पंप ultrashort लेजर क्षेत्र की ओर से शुरू कर रहे हैं और फिर एक समय में देरी की जांच नाड़ी की जांच कर रहे हैं। जांच विकिरण पर, अणु गुणा आयनित और Coulomb प्रतिकर्षण के कारण टुकड़ा आयनों में टूट रहे हैं। अलग हो आयनों के स्थानिक वितरण जांच विकिरण पर आणविक संरचना और स्थानिक उन्मुखीकरण का एक उपाय है। माप पंप जांच में देरी समय स्कैनिंग का एक दृश्य एक आणविक फिल्म का निर्माण होता है। यह उल्लेखनीय है कि, सरल मामले के लिए - द्विपरमाणुक अणुओं - अलग हो आयनों की कोणीय वितरणसीधे आणविक अक्ष वितरण (यानी, चुकता घूर्णी लहर समारोह) को दर्शाता है।

पंप की प्रक्रिया के संबंध में, ultrashort लेजर क्षेत्र का उपयोग आणविक गति की सुसंगत नियंत्रण में हाल ही में प्रगति अत्यधिक नियंत्रित घूर्णी लहर पैकेट 4 की रचना, 5 के लिए प्रेरित किया। इसके अलावा, रोटेशन की दिशा में सक्रिय रूप से एक ध्रुवीकरण नियंत्रित लेजर क्षेत्र 6, 7, 8 का उपयोग करके नियंत्रित किया जा सकता है। इसलिए यह उम्मीद की गई है कि लहर स्वभाव सहित आणविक रोटेशन, की एक विस्तृत चित्र, जब Coulomb विस्फोट इमेजिंग तकनीक इस तरह के एक पंप प्रक्रिया 9, 10, 11, 12, 13 के साथ संयुक्त है कल्पना की जा सकती है। हालांकि, हम कुछबार नीचे उल्लेख किया है, मौजूदा इमेजिंग तरीकों के साथ जुड़े प्रयोगात्मक कठिनाइयों का सामना। इस पत्र का उद्देश्य इन कठिनाइयों पर काबू पाने के लिए और आणविक घूर्णी लहर पैकेट की एक उच्च गुणवत्ता फिल्म बनाने का एक नया तरीका पेश करने के लिए है। अपनी शारीरिक प्रभाव के साथ-साथ, वर्तमान पद्धति के साथ लिया आणविक रोटेशन के पहले प्रयोगात्मक फिल्म, हमारे पिछले पेपर 11 में प्रस्तुत किए गए। विकास की पृष्ठभूमि, वर्तमान इमेजिंग तकनीक का विस्तृत सैद्धांतिक पहलू है, और अन्य मौजूदा तकनीक के साथ एक तुलना एक आगामी पत्र में दिया जाएगा। यहाँ, हम मुख्य रूप से प्रक्रिया के व्यावहारिक और तकनीकी पहलुओं पर ध्यान दिया जाएगा ठेठ पंप जांच ऑप्टिकल सेटअप के संयोजन और नई इमेजिंग उपकरण भी शामिल है। पिछले पत्र में के रूप में, लक्ष्य सिस्टम unidirectionally नाइट्रोजन के अणुओं 11 घूर्णन कर रहा है।

के मुख्य प्रयोगात्मक कठिनाईमौजूदा इमेजिंग सेटअप, रेखाचित्र के चित्र 1 में दिखाया गया है, डिटेक्टर की स्थिति, या कैमरे के कोण के साथ क्या करना है। क्योंकि घूर्णी अक्ष लेजर प्रचार अक्ष 6, 7, 8 लेजर क्षेत्र प्रेरित आणविक रोटेशन में साथ मेल खाता है, यह घूर्णी अक्ष के साथ एक डिटेक्टर स्थापित करने के लिए व्यावहारिक नहीं है। जब डिटेक्टर स्थापित किया गया है ताकि के रूप में लेजर विकिरण से बचने के लिए, कैमरे के कोण रोटेशन के एक पक्ष के अवलोकन से मेल खाती है। इस मामले में, यह अनुमान (2 डी) आयन छवि की 14 से अणुओं के मूल रुख को फिर से संगठित करने के लिए असंभव है। एक 3 डी इमेजिंग डिटेक्टर 14, 15, 16, 17, 18, 19, जो शीर्ष डिटेक्टर और आयन impac करने के आगमन के समय के साथटी पदों पर मापा जा सकता है, एक अनूठा तरीका सीधे आणविक रोटेशन निरीक्षण करने के लिए Coulomb विस्फोट इमेजिंग 10, 12 का उपयोग कर की पेशकश की। हालांकि, लेजर शॉट प्रति स्वीकार्य आयन मायने रखता है कम (आमतौर पर <10 आयनों) 3 डी डिटेक्टर में हैं, जिसका अर्थ है कि यह उच्च छवि गुणवत्ता के साथ 14 आणविक गति की एक लंबी फिल्म बनाने के लिए मुश्किल है। डिटेक्टरों (आम तौर पर एन एस) के मृत समय भी छवि संकल्प और इमेजिंग दक्षता प्रभावित करता है। यह भी <~ 1 kHz के एक लेजर पुनरावृत्ति दर के साथ एक वास्तविक समय आयन छवि की निगरानी के द्वारा एक अच्छा पंप जांच किरण ओवरलैप बनाने के लिए एक आसान काम नहीं है। हालांकि कई समूहों 3 डी तकनीक का उपयोग कर बारी-बारी लहर पैकेट देखा है, स्थानिक जानकारी सीमित था और / या प्रत्यक्ष, और तरंग प्रकृति का विस्तृत दृश्य, जटिल नोडल संरचनाओं सहित, 10 को हासिल नहीं किया गया था, 12।

का सारनई इमेजिंग तकनीक "नया कैमरा कोण" चित्रा 1 में इस्तेमाल होता है। इस विन्यास में, जबकि 2 डी डिटेक्टर बारी-बारी से विमान के समानांतर है, घूर्णन अक्ष दिशा से अवलोकन करने के लिए अग्रणी एक डिटेक्टर के लिए लेजर बीम जोखिम से बचा है। भट्ठा बारी-बारी से विमान में केवल आयन (लेजर दालों का ध्रुवीकरण विमान) एक छवि के लिए योगदान करने के लिए अनुमति देता है। एक 2 डी डिटेक्टर, जो एक उच्च गिनती दर (आमतौर पर ~ 100 आयनों) एक 3 डी डिटेक्टर से प्रदान करता है, के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। इलेक्ट्रॉनिक्स की स्थापना, 3 डी का पता लगाने के मामले में की तुलना में आसान है, जबकि माप दक्षता अधिक है। समय लेने वाली ऐसी हाबिल उलटा 14 के रूप में गणितीय पुनर्निर्माण, यह भी कोणीय जानकारी निकालने के लिए की जरूरत नहीं है। इन सुविधाओं के माप प्रणाली के आसान अनुकूलन करने के लिए और उच्च गुणवत्ता फिल्मों के उत्पादन को बढ़ावा मिलेगा। एक मानक 2D / 3D आरोप लगाया कण इमेजिंग उपकरण आसानी से वर्तमान सेटअप witho करने के लिए संशोधित किया जा सकतामहंगे उपकरण के उपयोग ut।

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Protocol

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नोट: इस प्रोटोकॉल के माध्यम से, हम स्पष्ट करना क्या हम वास्तव में वर्तमान पद्धति विकसित करने के लिए किया था। चैम्बर और ऑप्टिकल सेटअप डिजाइन और आकार और अन्य अंगों की प्रकार सहित सटीक मापदंडों, हमेशा पाठक का तंत्र के लिए मौजूदा व्यवस्था लागू करने के लिए आवश्यक नहीं कर रहे हैं। प्रक्रियाओं का सार प्रत्येक चरण में नोटों के रूप में दी जाएगी।

1. एक 2 डी-टुकड़ा इमेजिंग उपकरण का निर्माण

नोट: इस चरण के दौरान, सभी व्यावसायिक रूप से उपलब्ध इस तरह के एक वैक्यूम पंप और एक डिटेक्टर के रूप में भागों और उपकरण, निर्माता के निर्देशों या उपयोगकर्ता के मैनुअल के अनुसार स्थापित कर रहे हैं।

  1. एक ठेठ 2D / 3D आयन इमेजिंग उपकरण 14, डिजाइन के निर्माण के रूप में और एक विभिन्न पंप निर्वात चैम्बर एक स्पंदित वाल्व, आणविक किरण स्किमर्स, आयन प्रकाशिकी (एक 50 मिमी के साथ 100 मिमी के छल्ले के एक ढेर को समायोजित करने के लिए पर्याप्त जगह है कि निर्माण छेद), एक बंद अक्ष आयन इमेजिंग इकाई (एपीulsed Repeller इलेक्ट्रोड और microchannel प्लेटें एक भास्वर स्क्रीन के द्वारा समर्थित) के एक ढेर, और एक आयन उड़ान ट्यूब (> 200 मिमी बहाव क्षेत्र)।
  2. चार पिरोया पदों (15 सेमी, Φ12 मिमी), जिसके लिए विभाजन पर बोल्ट छेद चैम्बर के लिए इस्तेमाल कर रहे हैं गाढ़ा चैम्बर विभाजन को स्पंदित वाल्व संलग्न। नोक एक रखें प्लेट का उपयोग कर के सामने सीधे चैम्बर विभाजन करने के लिए आणविक किरण स्किमर्स स्थापित करें।
    नोट: एक आयन इमेजिंग उपकरण के निर्माण में, यह जरूरी है कि आणविक किरण अक्ष और लेजर बीम अक्ष आयन प्रकाशिकी की धुरी पर एक दूसरे को काटना। इस लक्ष्य को हासिल करने के लिए, यह एक स्रोत चैम्बर धुरी के रूप में आणविक किरण अक्ष परिभाषित करने के लिए सुविधाजनक है। 1.2 चरण में इस उद्देश्य के लिए है। इसके अलावा, पौना छेद वाल्व की नोक के साथ लाइन में होना चाहिए, यह सुनिश्चित करना है कि आणविक बीम का केंद्र एक पौना के माध्यम से विभिन्न पंप चरण में प्रवेश कर सकते हैं। यह भी स्पंदित वाल्व के वजन पर विचार करने के लिए महत्वपूर्ण है; इसलिए, पर्याप्त मोटीपिरोया पदों विभाजन की दीवार को स्पंदित वाल्व कनेक्ट करने के लिए इस्तेमाल किया जाना चाहिए। आदेश में गैस और पौना हस्तक्षेप 20 का प्रतिबिंब प्रभाव से बचने के लिए नोजल और विभाजन के बीच 15 सेमी की दूरी बनाए रखें।
  3. , विभिन्न पंप चैम्बर के अंतिम चरण के लिए आयन प्रकाशिकी स्थापित एक ठेठ आयन इमेजिंग सेटअप 21 के रूप में।
    नोट: यह कदम बाहर किया जाता है इस प्रकार है: पिरोया बढ़ते पदों चैम्बर विभाजन को खराब कर रहे हैं। पदों पर, आयन प्रकाशिकी के एक ढेर पागल के साथ जगह में बंद कर दिया है। क्योंकि पदों के लिए बोल्ट छेद चैम्बर के लिए गाढ़ा कर रहे हैं, आयन प्रकाशिकी की धुरी आणविक किरण के साथ कि मेल खाता है।
  4. एक छेद और एक खिड़की के साथ एक वैक्यूम निकला हुआ किनारा के बीच एक P16 हे अंगूठी रखकर ऑप्टिकल ग्लास खिड़कियां (1 मिमी मोटाई 25 मिमी व्यास, जुड़े सिलिका) स्थापित है, तो यह है कि लेजर दालों आणविक बीम एक दूसरे को काटना कर सकते हैं।
    नोट: इन खिड़कियों के माध्यम से, लेजर दालों middl तक पहुँच सकते हैंपहले और दूसरे आयन इलेक्ट्रोड और के ई आयन प्रकाशिकी की धुरी एक दूसरे को काटना।
  5. एक बंद अक्ष आयन इमेजिंग इकाई (चित्रा 2) का निर्माण।
    नोट: इस चरण के दौरान, चित्रा 2 इकाई के 3-आयामी व्यवस्था को सत्यापित करने के लिए देखें। सभी इलेक्ट्रोड भागों (आयन डिटेक्टर और Repeller), तिरछी बोल्ट के साथ 100 मिमी baseplate के लिए मुहिम शुरू कर रहे हैं, जबकि अन्य भागों स्टेनलेस बोल्ट के साथ बढ़ रहे हैं। सार आयन बहाव क्षेत्र में एक 2 डी इमेजिंग डिटेक्टर माउंट करने के लिए इतना है कि इसकी सतह डिटेक्टर आयन प्रकाशिकी धुरी के समानांतर और लेजर प्रचार अक्ष को सीधा है। जाहिर है, सभी भागों उच्च वोल्टेज में प्रयोग की जाने वाली विद्युत पृथक होना चाहिए। हम अनुशंसा करते हैं कि आयन प्रकाशिकी (उड़ान) अक्ष और डिटेक्टर सतह के बीच की दूरी कुछ मिमी (वर्तमान मामले, 5 मिमी में) है। एक लंबी दूरी के साथ, यह एक डिटेक्टर को आयनों पुश करने के लिए और अधिक समय ले जाएगा, और एक कम दूरी एमसीपी के बीच निर्वहन में परिणाम हो सकता हैurface और स्पंदित Repeller।
    1. एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप (~ 30X) और / या एक ऑप्टिकल तुलनित्र के साथ भट्ठा ब्लेड (100 मिमी लंबाई) के किनारे का निरीक्षण करें और इस बात की पुष्टि कोई छात्रों या खरोंच से बड़ा 30 माइक्रोन भट्ठा ब्लेड के किनारे पर स्थित होते हैं।
      ध्यान दें: भट्ठा ब्लेड समानांतर में रखा जाना चाहिए, और कोई छात्रों और खरोंच स्वीकार्य हैं। समानांतर से विचलन आयन का पता लगाने के inhomogeneity की ओर जाता है। ब्लेड का एक दोष मनाया छवि (चर्चा अनुभाग देखें) degrades।
    2. छोटे बढ़ते पंजे का उपयोग करना, 122.4 मिमी एल्यूमीनियम एक वसंत के साथ जुड़ा हुआ प्लेटों की एक जोड़ी के होते हैं जो एक clothespin के रूप में, भट्ठा ब्लेड धारक, करने के लिए भट्ठा ब्लेड देते हैं। इसके अलावा में एक पतला एल्यूमीनियम रॉड डालने "कपड़े पिन।"
      ध्यान दें: भट्ठा ब्लेड clothespin की घुंडी पक्ष (प्रयास के बिंदु) पर बढ़ रहे हैं। एक तेज पेंसिल के आकार की तरह का एक पतला एल्यूमीनियम रॉड clo के बन्द रखो पक्ष (कार्रवाई के बिंदु) में डाला जाता हैthespin, भट्ठा चौड़ाई पतला रॉड की गहराई प्रविष्टि में वृद्धि के साथ बड़ा हो जाता है (चित्रा 2 बी देखें)। कदम 1.5.2-1.5.4 भट्ठा के निर्माण के लिए कर रहे हैं, चौड़ाई, जिनमें से इमेजिंग माप के दौरान देखते जा सकता है। चौड़ाई ट्यूनिंग की जरूरत नहीं है, बस भट्ठा ब्लेड डिटेक्टर धातु पंजे के रूप में उपयुक्त बढ़ते भागों का उपयोग करने से आयन बीम के ऊपर 10 सेमी स्थापित ~ और चरण 1.5.5 जाना।
    3. रेखीय गति वैक्यूम feedthrough (माइक्रोमीटर / धौंकनी आधारित, ICF70 आकार) को पतला एल्यूमीनियम रॉड देते हैं और feedthrough के निर्वात पक्ष विमान को भट्ठा धारक और बेस माउंट।
    4. भट्ठा इकाई एक ICF70 वैक्यूम बंदरगाह डिटेक्टर अक्ष के लिए और आयन उड़ान अक्ष के दोनों सीधा है उस पर ऊपर का निर्माण स्थापित करें।
      नोट: स्थिति है ~ 10 सेमी डिटेक्टर के केंद्र से आयन बीम के ऊपर।
    5. 1 ± 0.1 मिमी एक माइक्रोमीटर का उपयोग कर भट्ठा चौड़ाई सेट करें।
      नोट: उदाहरण के लिए, के लिए एक 1 मिमी भट्ठा के उपयोग 50मिमी न्यूटन क्षेत्र (आयन बादल) 2% टुकड़ा करने की क्रिया है, जो मानक टुकड़ा तकनीक 22 से संकल्प में अधिक है से मेल खाती है। भट्ठा चौड़ाई टुकड़ा संकल्प निर्धारित करता है; हालांकि, छोटे चौड़ाई कमजोर संकेतों के लिए सीसा।
    6. चित्रा 2 के रूप में, आयताकार (115 मिमी x 160 मिमी x 3 मिमी) स्टेनलेस प्लेट की एक स्पंदित Repeller इलेक्ट्रोड को स्थापित करें।
      नोट: स्पंदित Repeller उन दोनों के बीच स्पंदित बिजली के क्षेत्र की एकरूपता सुनिश्चित करने के लिए डिटेक्टर के समानांतर होना चाहिए।
    7. एक स्थिति के प्रति संवेदनशील आयन microchannel प्लेटें एक भास्वर स्क्रीन के द्वारा समर्थित के एक ढेर से मिलकर डिटेक्टर स्थापित करें तो यह स्पंदित Repeller के समानांतर है कि; मानक बढ़ते प्रक्रिया 14, 23 का पालन करें।
    8. भास्वर स्क्रीन के पीछे करने के लिए एक तांबे गैसकेट के साथ एक निकला हुआ किनारा घुड़सवार वैक्यूम व्यूपोर्ट स्थापित करें।
  6. उच्च वोल्टेज बिजली की आपूर्ति करने के लिए आयन प्रकाशिकी और देते के कुछ हिस्सों तारctor (एक स्पंदित Repeller, microchannel प्लेटें, और एक भास्वर स्क्रीन) उच्च वोल्टेज की आपूर्ति स्पंदित करने के लिए वर्तमान feedthroughs के माध्यम से (~ 50 एनएस वृद्धि / कमी समय)।
    नोट: देखभाल सुनिश्चित करने के लिए कि किसी भी केबल के माध्यम से व्यूपोर्ट भास्वर स्क्रीन के अवलोकन के बीच में नहीं है लिया जाना चाहिए।
  7. एक स्टेनलेस ट्यूब के साथ और लेपित तांबे के तारों की एक जोड़ी के साथ वाल्व नियंत्रक करने के लिए, गैस इनलेट (3 एमपीए की कुल दबाव है कि वह 3% एन 2 गैस) को स्पंदित वाल्व कनेक्ट करें।
    नोट: दोनों कनेक्शन वैक्यूम feedthroughs के माध्यम से गुजरती हैं।
  8. वैक्यूम पंप पर मुड़ें और इमेजिंग डिटेक्टर चैम्बर से कम 10 -4 पा के दबाव सेट, तब भी जब स्पंदित वाल्व आपरेशन में है।
    ध्यान दें: एक उच्च दबाव उच्च वोल्टेज इलेक्ट्रोड और डिटेक्टरों का नुकसान हो सकता है। जब दबाव अधिक है, बड़ा पंप या वाल्व की पुनरावृत्ति दर में कमी लाने की आवश्यकता है। वर्तमान कक्ष और स्पंदित वाल्व, एक rotati के साथ एक नाइट्रोजन आणविक बीम का उपयोग6 K नीचे onal तापमान 11 उत्पन्न किया जा सकता है। इस बारी-बारी से तापमान में अणुओं का 99% (जे घूर्णी क्वांटम संख्या है) जम्मू ≤ 2 स्थिति में हैं।

2. एक पंप जांच ऑप्टिकल सेटअप का निर्माण

नोट: इस कदम के लिए, चित्रा 3 समझने के लिए कहाँ और कैसे निम्नलिखित कदम बाहर किया जाता है देखते हैं। पंप जांच प्रयोग 11 के लिए नीलम लेजर एम्पलीफायर: इस कदम का उद्देश्य एक वाणिज्यिक तिवारी से तीन समरेख FS दालों बनाने के लिए है। पहले नब्ज आणविक संरेखण के लिए किया गया था (रैखिक फूट डालना, 820 एनएम के केंद्र तरंगदैर्ध्य, शिखर तीव्रता <30 TW / 2 सेमी), दूसरी दिशा नियंत्रण (पहले एक की देरी प्रतिकृति के लिए था, रेखीय ध्रुवीकरण 45 को छोड़कर ° पहले नब्ज का ध्रुवीकरण धुरी से झुका हुआ है), और तीसरे Coulomb विस्फोट इमेजिंग जांच (चक्राकार ध्रुवीकरण, 407 एनएम, 1 था 00 एफएस, 600 TW / 2 सेमी)। इस कदम के दौरान सभी तरह के एक ध्रुवीकरण चेकर और एक ऑप्टिकल मंच के रूप में व्यावसायिक रूप से उपलब्ध भागों और उपकरणों, स्थापित और निर्माता के निर्देशों या उपयोगकर्ता के मैनुअल के अनुसार किया जाता है।

नोट: इस चरण के दौरान, सभी ऑप्टिकल घटकों स्थापित किया है और ऑप्टिकल प्रयोगों के मानक प्रक्रियाओं और प्रकाशिकी के लिए निर्माता के गाइड के अनुसार किया जाता है। इस्तेमाल सभी महत्वपूर्ण मोड़ और dichroic दर्पण आदेश ऑप्टिकल पथ में कई प्रतिबिंब के दौरान लेजर बिजली नुकसान से बचने के लिए अचालक बहुपरत दर्पण हैं। प्रकाशिकी और क्रिस्टल का इस्तेमाल किया में से कुछ इस लेख के लिए सामग्री सूची में दिखाए जाते हैं।

  1. पर प्रणाली और अधिक से अधिक 1.5 MJ / नाड़ी, एक ~ 35 FS की अवधि का एक लेजर उत्पादन, एक 820 एनएम तरंगदैर्ध्य केंद्र, और एक 500 हर्ट्ज पुनरावृत्ति दर हासिल: femtosecond लेजर (नीलम एम्पलीफायर तिवारी) की बारी।
  2. जांच (इमेजिंग) नाड़ी की एक ऑप्टिकल पथ तैयारएफई "> 10, 11, 12।
    1. दूसरी harmonics के (> 0.2 एम.जे.) प्राप्त करने के लिए 820 एनएम ऑप्टिकल पथ में एक nonlinear क्रिस्टल (BBO, प्रकार मैं, 0.2 एमएम मोटाई, 29.2 डिग्री, एक 820 एनएम प्रकाश के दूसरे हार्मोनिक पीढ़ी के लिए) स्थापित मौलिक 820 एनएम लेजर उत्पादन। एक जांच नाड़ी के रूप में उत्पन्न दूसरी harmonics (407 एनएम प्रकाश) उपयोग के बाद यह dichroic दर्पण से परिलक्षित होता है और मौलिक 820 एनएम प्रकाश से अलग है।
    2. एक ऑप्टिकल पथ का निर्माण, के रूप में चित्रा 3 में ब्लू लाइन द्वारा दिखाया गया है। बीम स्टीयरिंग दर्पण mounts का उपयोग करना, दोनों Windows 1.4 चरण में स्थापित की केंद्र के माध्यम से पारित करने के लिए इस बीम संरेखित।
      नोट: प्रमुख घटक एक attenuator (एक आधा waveplate और एक polarizer के संयोजन) से मिलकर बनता है, देरी स्कैनिंग के लिए एक मोटर रैखिक चरण, और ध्रुवीकरण ट्यूनिंग के लिए waveplates।
  3. पंप (बारी-बारी से पूर्व के लिए एक ऑप्टिकल पथ तैयारप्रशस्ति पत्र), 24, 25, 26 दालों।
    1. एक ऑप्टिकल पथ का निर्माण, के रूप में 3 चित्र में लाल रेखा से दिखाया गया है, और समय और ध्रुवीकरण-ट्यून करने योग्य FS दालों की एक जोड़ी प्राप्त करते हैं।
      नोट: कदम 2.2.1 में अवशिष्ट 820 एनएम नाड़ी (~ 1 एमजे) दूसरे हार्मोनिक पीढ़ी के बाद, dichroic दर्पण से अलग हो, इन पंप दालों बनाने के लिए प्रयोग किया जाता है। प्रत्येक पंप नाड़ी की खासियत पल्स ऊर्जा 0.25 एमजे है। प्रमुख घटकों के एक attenuator (एक आधा waveplate और एक polarizer के संयोजन), 50:50 बीम फाड़नेवाला, समय देरी ट्यूनिंग के लिए एक मैनुअल रैखिक चरण, ध्रुवीकरण ट्यूनिंग के लिए waveplates, और मौके-आकार के लिए एक दूरबीन से मिलकर बनता है अनुकूलन।
    2. ऑप्टिकल पथ में दर्पण माउंट के झुकाव को समायोजित करके, समानांतर हो सकता है और उनके केंद्र दोनों Windows 1.4 चरण में स्थापित के केंद्र के माध्यम से पारित करने के लिए पंप मुस्कराते हुए की जोड़ी संरेखित।
      ध्यान दें: यह सत्यापित करने के लिए, एकसंरेखण उपकरण, संलग्न ग्राफ पेपर के साथ एक एल्यूमीनियम ब्लॉक, प्रयोग किया जाता है। उपकरण एक ऑप्टिकल तालिका के टेप छेद का उपयोग कर उच्च reproducibility के साथ एक ही स्थिति में रखा जा सकता है। लाइन में दो पेंच छेद समानांतर पथ के लिए एक गाइड के रूप में चुना जाता है। जैसा कि संरेखण उपकरण का चयन किया छेद में से एक में तैनात है, मुस्कराते हुए गठबंधन कर रहे हैं ताकि वे संरेखण उपकरण का एक ही बिंदु मारा। उपकरण की स्थिति और बीम के संरेखण दोहराएँ जब तक बीम दोनों संरेखण उपकरण पदों के लिए उपकरण का एक ही बिंदु हिट। क्योंकि ऑप्टिकल तालिका में पेंच छेद उच्च परिशुद्धता के साथ लाइन में हैं, इन प्रक्रियाओं के समानांतर बीम के निर्माण के लिए नेतृत्व।
  4. दालों के ध्रुवीकरण राज्यों को समायोजित करें।
    1. एक ध्रुवीकरण चेकर स्थापित बस से पहले दालों कक्ष में प्रवेश तो यह है कि लेजर दालों चेकर की डिटेक्टर मारा।
    2. एक घूर्णी प्रकाशिकी का उपयोग waveplates के कोण समायोजित प्रत्येक OPTI में माउंटकैलोरी पथ। चक्राकार ध्रुवीकरण जांच नाड़ी, खड़ी ध्रुवीकरण पहले पंप नाड़ी, और रैखिक ध्रुवीकरण दूसरे पंप नाड़ी प्राप्त; दूसरे पंप के लिए, पहली पंप के उस से ध्रुवीकरण विमान 45 डिग्री झुकाव।
      नोट: एक ध्रुवीकरण चेकर के उपयोग के साथ, प्रत्येक नाड़ी के ध्रुवीकरण राज्य के एक ध्रुवीय कोण पर निर्भर संचरण तीव्रता के रूप में देखे जा सकते हैं। एक परिपत्र ध्रुवीकरण प्राप्त करने के लिए, उदाहरण के लिए, एक isotropic छवि को प्राप्त करने waveplate कोण समायोजित करें।
    3. ऑप्टिकल पथ से ध्रुवीकरण चेकर निकालें।
      नोट: पहला पंप दिशा-अपरिभाषित रोटेशन 4, 9, 10 शुरू की। तात्कालिक आणविक संरेखण के समय, दूसरी पंप एक असममित टोक़ बनाने के लिए और दिशाहीन रोटेशन 12, 13 शुरू करने के लिए चमकी है। एक चक्राकार ध्रुवीकरण जांच नाड़ी वें ionizes के बादध्रुवीकरण विमान में कोणीय वरीयता के बिना ई अणुओं, यह एक कोणीय वितरण माप के लिए उपयुक्त है।
  5. प्रत्येक नाड़ी के अस्थायी ओवरलैप का पता लगाएं।
    1. एक nonlinear क्रिस्टल (BBO, 0.2 मिमी मोटाई, टाइप 2, 820 एनएम प्रकाश के तीसरे हार्मोनिक पीढ़ी के लिए), कक्ष की खिड़की की राशि के रूप में एक ही मोटाई (3 मिमी) है कि एक ऑप्टिकल खिड़की स्थापित (1 मिमी) और ध्यान केंद्रित Plano उत्तल लेंस (2 मिमी), और एक फैलाव चश्मे बस से पहले दालों कक्ष में प्रवेश।
      नोट: समय शून्य पंप जांच प्रयोग में (पंप और जांच नाड़ी के अस्थायी ओवरलैप) निर्धारित करने के लिए एक मानक प्रक्रिया है जब दोनों पंप और जांच नाड़ी एक साथ एक माध्यम के साथ बातचीत एक nonlinear प्रतिक्रिया है, जो केवल मनाया जाता है पता लगाने के लिए है । इधर, nonlinear क्रिस्टल में 407 एनएम जांच नाड़ी के अस्थायी ओवरलैप और 820 एनएम पंप नाड़ी एक 267 एनएम पीढ़ी की ओर जाता है। हम VA में मुस्कराते हुए अस्थायी ओवरलैप अनुमान लगाने के लिए हैcuum चैम्बर जबकि कदम 2.5.1 बाहर किया जाता है इससे पहले कि दालों कक्ष (और ध्यान केंद्रित लेंस और कक्ष की खिड़की) दर्ज करें। इसलिए, समय की देरी कक्ष की खिड़की और ध्यान केंद्रित लेंस द्वारा शुरू की क्षतिपूर्ति करने के लिए, एक 3 मिमी ऑप्टिकल खिड़की स्थापित किया गया है। दो पंप और एक जांच खिड़की और फिर क्रिस्टल के माध्यम से गुजरती हैं, और वे बाद में एक चश्मे से बिखरे हैं। चश्मे के बाद सफेद कागज के एक पत्रक की जगह एक सफेद-नीले रंग की रोशनी के रूप में 267 एनएम तीसरे harmonics की पीढ़ी पता लगाने के लिए। सभी का उल्लेख भागों एक ऑप्टिकल धारक पर बढ़ रहे हैं।
    2. एक किरण डम्पर के साथ चित्रा 3 में पंप 2 की लाइन ब्लॉक।
    3. एक मंच पर कदम नियंत्रक बटन दबाने, मोटर चरण स्कैन और एक 267 एनएम पीढ़ी पाते हैं।
      नोट: पंप और जांच दालों की ऑप्टिकल पथ लंबाई लेजर दालों की अवधि के भीतर एक ही कर रहे हैं, एक तीसरे harmonics संकेत दिखाई देता है। इस चरण में स्थिति, समय 0 के रूप में माना जाता है, जिसके दौरान दोनों पंप औरजांच एक साथ अणुओं पड़ रहे हैं।
    4. ब्लॉक पंप 1 और हटाइये पंप 2 (बीम डम्पर निकालने के लिए)।
    5. माइक्रोन आधारित मैनुअल चरण पंप 2 लाइन में स्थापित स्कैन और स्थिति है, जिस पर 267 एनएम उत्सर्जन होता है पाते हैं।
    6. क्रिस्टल, खिड़की, और ऑप्टिकल लाइन से चश्मे निकालें।
      नोट: इस स्तर पर, तीन दालों अस्थायी रूप से लेजर durations के भीतर आणविक बीम पर छा रहे हैं। स्थापना के समय संकल्प एक पार से संबंध की निगरानी और 267 एनएम ऊर्जा की साजिश रचने जबकि जांच पथ में मोटर चालित मंच स्कैनिंग द्वारा के रूप में मापा जा सकता है। वर्तमान सेटअप में, सहसंबंध समारोह का आधा अधिकतम पर पूरी चौड़ाई ~ 120 FS है। पल्स चौड़ाई दूसरी harmonics के उच्चतम बिजली उत्पादन प्राप्त करने के लिए अनुकूलित है। दूसरी हार्मोनिक पीढ़ी के बाद, दालों, ग्लास लेंस, waveplates, dichroic दर्पण, polarizers, और कक्ष की खिड़की के माध्यम से पारित एक कलरव के लिए अग्रणी। क्योंकि समूह देरी disper400 एनएम क्षेत्र में माल के सायन से 800 एनएम क्षेत्र में, हम जांच के रास्ते में संचरण प्रकाशिकी को कम ज्यादा बड़ा है। एक chirped दर्पण प्रणाली सहित समय संकल्प, फैलाव प्रबंधन में सुधार करने के लिए, उपयोगी हो जाएगा।

3. एक माप प्रणाली के लिए सेटअप

नोट: इस चरण के दौरान, सभी को एक बिजली की आपूर्ति और देरी जनरेटर के रूप में व्यावसायिक रूप से उपलब्ध भागों और उपकरणों, स्थापित और निर्माता के निर्देशों या उपयोगकर्ता के मैनुअल के अनुसार किया जाता है।

  1. पल्स तुल्यकालन
    1. 80.8 मेगाहर्ट्ज एक तेजी से आवृत्ति विभक्त के साथ 500 हर्ट्ज के लिए एक femtosecond थरथरानवाला के उत्पादन में फूट डालो, और डिजिटल देरी जनरेटर 1 और एक FS एम्पलीफायर को गति प्रदान करने के लिए इस विभाजित उत्पादन का उपयोग करें।
    2. स्पंदित वाल्व के लिए एक ट्रिगर के रूप में देरी जनरेटर 1 की देरी outputs का उपयोग करें।
      नोट: स्वीकार्य VACU बनाए रखने के लिए वाल्व की पुनरावृत्ति दर की सीमाउम की स्थिति (कम से कम 10 -3 फोनों के लिए, उदाहरण के लिए)। इस मामले में, हम 250 हर्ट्ज के लिए मूल्य निर्धारित किया है।
    3. एक तेजी से एक 400 एनएम संचरण फिल्टर से लैस बस के बाद मुस्कराते हुए कक्ष से बाहर निकलते हैं, और डिजिटल देरी जनरेटर 2 के लिए एक ट्रिगर के रूप में इस डायोड के उत्पादन का उपयोग photodiode स्थापित करें।
      ध्यान दें: जांच नाड़ी आयन इमेजिंग इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए एक समय मूल के रूप में प्रयोग किया जाता है।
    4. समाक्षीय केबल के साथ डिजिटल देरी जनरेटर 2 के लिए तीन उच्च वोल्टेज स्विच कनेक्ट करें।
  2. सभी उच्च वोल्टेज बिजली की आपूर्ति की बारी है और पर स्विच।
  3. लक्ष्य मूल्यों के लिए वोल्टेज बढ़ाएँ।
    ध्यान दें: लक्ष्य voltages तंत्र के आकार और ब्याज की प्रणाली पर निर्भर करते हैं। वर्तमान मामले में विशिष्ट मूल्यों चित्रा 1 के कैप्शन में दिखाया जाता है। Undistorted छवियों को प्राप्त करने के लिए, ठीक ट्यूनिंग पूर्वाग्रह voltages 13 आवश्यक है (कदम 4.1.7 देखें)। वोल्टेज मूल्य में तेजी से वृद्धि के निर्वहन में परिणाम हो सकता हैया इलेक्ट्रॉनिक्स सिस्टम को नुकसान। हम दैनिक ऑपरेशन के लिए कम से कम 100 वी / एस की वृद्धि हुई है और शून्य में पहली बार उपयोग के लिए 100 वी / 300 S की वृद्धि सलाह देते हैं।
  4. स्थापना और इमेजिंग कैमरे की स्थिति
    1. एक डिजिटल वैक्यूम व्यूपोर्ट कदम 1.5.5 में सेट के सामने ऑप्टिकल पोस्ट पर एक = 25 मिमी कैमरे के लेंस से लैस कैमरा स्थापित करें। सुनिश्चित करें कि कैमरा अक्ष डिटेक्टर सतह को सीधा है। क्योंकि व्यूपोर्ट मंजिल स्तर को सीधा है, कैमरे के आधार क्षैतिज मंजिल के सापेक्ष के लिए पंक्ति में एक पानी के स्तर गाइड का उपयोग करें।
      नोट: स्थिति का ठीक समायोजन बाद में एक चरण में किया जाता है।
    2. इतना है कि हवा पीछे से कैमरा हिट कैमरे के लिए एक शीतलन प्रशंसक स्थापित करें।
    3. एक पर्दे के साथ कैमरे के लेंस और वैक्यूम व्यूपोर्ट के बीच क्षेत्र को कवर इतना है कि इस तरह के परिवेश के कमरे में प्रकाश व्यवस्था के रूप में अवांछित प्रकाश, कैमरा प्रवेश नहीं करता है।
    4. एक कंप्यूटर से कनेक्ट करने के लिए कैमरेएक यूएसबी 3.0 पोर्ट के माध्यम से।
    5. कैमरा नियंत्रण सॉफ्टवेयर शुरू और सॉफ्टवेयर का लाभ नियंत्रण खंड में अधिकतम मान दर्ज करके कैमरे के लाभ को अधिकतम।
    6. आम तौर पर 1,200 x 750 पिक्सल के लिए छवि का आकार निर्धारित करें।
      नोट: हालांकि एक बड़ी छवि के आकार उच्च संकल्प की ओर जाता है, यूएसबी 3.0 पोर्ट के डाटा दर स्वीकार्य फ्रेम दर की सीमा। वर्तमान सेटिंग्स में, 250 से अधिक एफपीएस प्राप्त किया जा सकता है, जो काफी उच्च हर गैस पल्स लोड हो रहा है (250 हर्ट्ज) के लिए एक छवि प्राप्त करने के लिए है।
    7. "पकड़ो" बटन पर क्लिक करके कैमरा के साथ छवियों पर कब्जा करना शुरू करें। मैन्युअल कैमरे की स्थिति को समायोजित ताकि छवि 2 डी डिटेक्टर के पूरे क्षेत्र को शामिल किया गया है। कैमरा फिक्स एक बोल्ट के साथ माउंट।
    8. एक वास्तविक समय कब्जा कर लिया छवि निगरानी करके, कैमरे के लेंस का फोकस अंगूठी समायोजित इतना है कि उज्ज्वल आयन स्थान आकार कम से कम हो जाता है।

4. माप

नोट: मुझे asurement यहां इस्तेमाल किया विधि सूचना प्रक्रियाओं 14, 27 और वर्तमान इमेजिंग सेटअप का एक संयोजन है। इस कदम के दौरान सभी तरह के उच्च वोल्टेज इलेक्ट्रॉनिक्स के रूप में व्यावसायिक रूप से उपलब्ध भागों और उपकरणों, स्थापित और निर्माता के निर्देशों या उपयोगकर्ता के मैनुअल के अनुसार किया जाता है।

  1. संकेत ढूँढना और आयन इमेजिंग के लिए सेटिंग्स को अनुकूलित
    1. एक किरण डम्पर के साथ ऑप्टिकल सिस्टम का पंप दालों ब्लॉक।
    2. पहली और आयन प्रकाशिकी के दूसरे इलेक्ट्रोड के बीच में, एक उत्तल लेंस (च = 120 मिमी) स्थापित आणविक किरण को जांच लेजर पल्स ध्यान दें।
    3. (एक डिजिटल देरी जनरेटर उत्पादन) एन 2 + आयन, जो वर्तमान गैस हालत 14 के तहत सबसे बड़ा संकेत तीव्रता प्रदान करता है की अनुमानित आगमन समय के लिए उच्च वोल्टेज स्विच के समय निर्धारित करें,एस = "xref"> 27।
      नोट: आगमन समय, आयन प्रकाशिकी पूर्वाग्रहों और उड़ान की दूरी से अनुमान लगाया जा सकता है लक्ष्य की बड़े पैमाने पर करने के लिए प्रभारी अनुपात आयन 28 के साथ। अन्यथा, समय स्कैनिंग एक संकेत का पता लगाने के लिए अन्य समाधान है।
    4. आयन छवि की निगरानी करते हुए, एक xyz चरण और गैस पल्स समय (एक डिजिटल देरी जनरेटर उत्पादन) के साथ लेंस की स्थिति को समायोजित, और सबसे बड़ा संकेत (प्रतिभाशाली और सबसे बड़ी छवि) के अधिग्रहण।
    5. एन 2 + चैनल 14, 27 विस्फोट Coulomb के लिए उच्च वोल्टेज स्विच के समय बदलें।
      नोट: क्योंकि एन 2 + की बड़े पैमाने पर करने के लिए प्रभारी अनुपात में चार बार एन 2 + की तुलना में छोटी है, एन 2 + के आगमन के समय में लगभग दो गुना एन 2 + की तुलना में तेजी है।
    6. करने के लिए ~ 20 एफपीएस कैमरे के फ्रेम दर में कमी और 50 एमएस करने के लिए जोखिम समय में वृद्धि।
      नोट: इससेटिंग, कैमरा छवि 12 गैस पल्स लोडिंग के लिए संकेत भी शामिल है। यह कुछ आयनों के ओवरलैप करने के लिए होता है, हम आसानी से मूल्यांकन करने और आयन वितरण का किसी न किसी रूप को पहचान सकते हैं।
    7. आयन ऑप्टिक पूर्वाग्रहों को समायोजित इतना है कि मनाया आयन वितरण एक undistorted अंडाकार हो जाता है।
      नोट: वर्तमान व्यवस्था 29, 30 में पहली और ऊर्ध्वाधर दिशा (आयन प्रकाशिकी अक्ष) के बढ़ाव में दूसरे इलेक्ट्रोड परिणाम के बीच अंतर पूर्वाग्रह घटाना। तीसरे या बाद में प्रकाशिकी आकार के ठीक समायोजन के लिए उपयोग किया जाता है। अंडाकार के विरूपण कोणीय संकल्प छवि से खंगाला degrades।
  2. एक पंप जांच स्थानिक ओवरलैप ढूँढना
    1. पंप 1 अनब्लॉक, एक किरण डंपर को हटाने, लेकिन पंप 2 अवरुद्ध रखने के लिए।
    2. एक आणविक किरण में पंप नाड़ी की किरण कमर पता लगाने के लिए दूरबीन को समायोजित करें।
      नोट: नहीं चाnge कक्ष की खिड़की है, जो जांच नाड़ी के लिए अनुकूलित है के सामने ध्यान केंद्रित लेंस की स्थिति।
      नोट: यह प्रक्रिया वायुमंडलीय दबाव बस से पहले वे निर्वात चैम्बर में प्रवेश तहत नि: शुल्क अंतरिक्ष के लिए लेजर बीम को दर्शाती द्वारा पूरा किया जा सकता है। एक ही प्रवेश द्वार लेंस के लिए फोकल लंबाई मापने के द्वारा, दूरबीन अनुकूलित किया जा सकता।
    3. ध्यान से माउंट 1 (चित्रा 2) उच्च संकल्प दर्पण के साथ पंप बीम के मौके की स्थिति को समायोजित, और पंप जांच ओवरलैप के कारण आयन छवि में बढ़ाया संकेत पाते हैं। इससे पहले या उसके बाद, टी ~ 4 PS एक देरी चरण में 600 माइक्रोन आगे बढ़ने से करने के लिए निर्धारित किया है। पंप 1 ध्रुवीकरण के साथ दृढ़ता से anisotropic छवि का पता लगाएं।
      नोट: क्योंकि समय ओवरलैप मोटे तौर पर 2.5 कदम में अनुकूलित किया गया था, केवल स्थानिक ओवरलैप परिचित होने की जरूरत है। बारी-बारी से निरंतर या लहर पैकेट गतिशीलता लक्ष्य अणु के लिए जाना जाता है, तो एक विकल्प के चुनाव एक instantaneou को जांच में देरी स्थापित करने के लिए हैआणविक संरेखण समय है। उदाहरण के लिए, यह Δ टी ~ 1/2 बी, जहां Δ टी पंप और जांच नाड़ी के बीच समय का अंतर है और बी हर्ट्ज 10, 11 में बारी-बारी से स्थिर है पर हो सकता है। एन 2 के लिए, ~ 8.3 भज। ऐसे समय में, पंप जांच स्थानिक ओवरलैप आयन पंप ध्रुवीकरण दिशा में अधिकतम (वर्तमान मामले में ऊर्ध्वाधर) और सीधा अक्ष में कम से कम दिखा वितरण होता है। यह Δ टी ~ 0 पर प्राप्त की सकल वृद्धि की तुलना में इस तरह के एक संरेखण हस्ताक्षर खोजने के लिए आसान है। Δ टी के बदलते के संबंध में, ध्यान दें कि प्रकाश की गति के अनुसार, मंच के एक 5 माइक्रोन आंदोलन ~ 33.356 FS से मेल खाती है।
    4. ब्लॉक पंप 1 और हटाइये पंप 2।
    5. पंप 2. के लिए दोहराएँ चरण 4.2.3 रखते हुए उच्च संकल्प दर्पण माउंट 2 का समायोजन (चित्रा 2) द्वारा पंप 2 के लिए एक पंप जांच ओवरलैप खोजेंपंप 1 अपरिवर्तित की ऑप्टिकल पथ।
      नोट: सुनिश्चित करें कि पंप 2 का ध्रुवीकरण इतना है कि संरेखण एक परोक्ष दिशा जब समय संरेखण समय पर सेट है साथ मनाया जाता है झुका हुआ है बनें।
  3. संक्षेप में दिशाहीन रोटेशन की गतिशीलता का निरीक्षण
    1. अनब्लॉक पंप 1. संरेखण समय के लिए पंप 1 और 2 के बीच के समय में देरी सेट (जैसे, एक एन 2 मामला 10, 11 के लिए 4.0 पी एस) के मैनुअल देरी चरण 1 चित्रा 2 में साथ।
    2. निर्धारित करती है कि दिशाहीन रोटेशन कैमरा छवियों से पहचाना जा सकता है क्योंकि जांच में देरी (एक मोटर या मैनुअल मंच के साथ) स्कैन किया जाता है की जाँच करें।
      नोट: जब सभी उपरोक्त प्रक्रिया अच्छी तरह से पूरा कर रहे हैं, जिनमें से एक में प्रतिभाशाली क्षेत्र को सुचारू रूप से एक ही दिशा में घूमता है क्योंकि जांच में देरी स्कैन किया जाता है छवियों को देख सकते हैं। इस तरह के एक फिल्म देखी नहीं जा सकता है, सावधानी से कदम 4.1-4.2 दोहराएँ। सेशन के बहाव प्रभावराजनैतिक आरोह को कभी कभी किरण ओवरलैप degrades।
      नोट: प्रकाश की गति के अनुसार, मंच के एक 5 माइक्रोन आंदोलन ~ 33.356 FS से मेल खाती है। केवल अवलोकन प्रयोजनों के लिए, उपर्युक्त प्रक्रियाओं के लिए पर्याप्त हैं। रिकॉर्डिंग और गति का विस्तृत विश्लेषण के लिए, निम्नलिखित कदम पर चलते हैं।
  4. सेटअप माप
    1. 250 एफपीएस कैमरे के फ्रेम दर में वृद्धि और ~ 4 ​​एमएस करने के लिए समय जोखिम कम हो।
      ध्यान दें: एक कैमरे के फ्रेम एक लेजर शॉट / गैस पल्स लोड करने के लिए एक छवि से मेल खाती है।
    2. माप कार्यक्रम है, जो उपकरणों को नियंत्रित करता है, छवियों कब्जा, और विश्लेषण और डेटा visualizes शुरू करो।
    3. निष्पादित बटन पर क्लिक करें और जब तक पंप मुस्कराते हुए अवरुद्ध 1,000 छवियों पर कब्जा।
    4. संख्यानुसार एक अंडाकार के साथ अभिव्यक्त छवि फिट और अण्डाकार ε और अंडाकार के केंद्र (एक्स 0, वाई 0) प्राप्त करते हैं।
      नोट: जब एक कच्चे छवि हाCoulomb विस्फोट के कई चैनलों के कारण एक से अधिक अंडाकार है, ब्याज के क्षेत्र को सीमित करने और केवल ellipses में से एक का उपयोग करें।
    5. 100,000 छवियों पर कब्जा है, जबकि पंप मुस्कराते हुए अवरुद्ध और एक जांच-केवल संदर्भ के रूप में प्राप्त की छवि का उपयोग करें।
      नोट: जांच केवल संदर्भ छवि का संकेत करने वाली शोर अनुपात कोणीय वितरण की गुणवत्ता को प्रभावित करता है। इसलिए, एक अपेक्षाकृत लंबे माप (~ 400 S) इस कदम के लिए लिया जाता है।
  5. दिशाहीन आणविक रोटेशन की एक फिल्म ले रहा है
    1. पंप मुस्कराते हुए अनब्लॉक।
    2. एक नकारात्मक मूल्य को जांच के समय निर्धारित करें (टी -100 ~ एफएस, यानी, पहले पंप मुस्कराते हुए)।
    3. निम्नलिखित कदम सहित माप पाश, शुरू
      1. एक छवि पर कब्जा है। केंद्र के-जन के प्रत्येक उज्ज्वल आयन मौके का समन्वय, और "1" बताए और "0" जन निर्देशांक के केंद्र अन्य पिक्सल से 27 करने से छवि binarize खोजें
      2. सेटिंग "छवियों की संख्या" 10,000 करने के लिए कार्यक्रम के इनपुट बॉक्स द्वारा 10,000 कैमरा फ्रेम के लिए binarized छवियों योग।
        नोट: संतृप्ति प्रभाव से बचने के लिए, 16 बिट्स के लिए अभिव्यक्त छवि की छवि गहराई निर्धारित किया है।
      3. कैमरा समन्वय (एक्स, वाई) ध्रुवीय कन्वर्ट करने के लिए अण्डाकार का उपयोग कर समन्वय स्थापित ε कदम 4.4.4 में चुना गया।
        नोट: इस प्रक्रिया के रूप में पूरा हो गया है: ब्याज की अंडाकार क्षेत्र में, सभी पिक्सेल निर्देशांक निम्न समीकरण का उपयोग Φ (एक्स, वाई) अपने रिश्तेदार ध्रुवीय निर्देशांक परिवर्तित कर रहे हैं:
        1 समीकरण
        नोट: जब एक चक्र के लिए एक अंडाकार परिवर्तित यह कदम ऊर्ध्वाधर दिशा में छवि विस्तार के बराबर है।
      4. एक ध्रुवीय साजिश जिसमें कोणीय निर्भर संकेत तीव्रता मूल से दूरी के रूप में साजिश रची है करने के लिए प्राप्त छवि परिवर्तित।
        नोट: anglई-निर्भर संभावना पी (Φ) निम्न समीकरण का उपयोग गणना की है:

        2 समीकरण
      5. ध्रुवीय साजिश मानक के अनुसार, जांच केवल संदर्भ के उस से विभाजित।
        नोट: यह कदम दोनों जांच नाड़ी की अधूरी परिपत्र ध्रुवीकरण और इमेजिंग डिटेक्टर के inhomogeneity calibrates।
      6. जांच के समय ~ 33.356 एफएस द्वारा आगे ले जाएं।
        नोट: जांच के समय की एक 33.356-FS पारी मोटर चालित रैखिक चरण का एक 5 माइक्रोन आंदोलन से मेल खाती है।
    4. कम से कम एक घूर्णी पुनर्जीवन अवधि, 1/2 बी (~ एन 2 के लिए 8.3 पी एस) तक लूप जारी होने के बाद पंप 2 समय बीत चुका है।

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Representative Results

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चित्रा -4 ए एक जांच-एन केवल 2 + आयन जांच विकिरण (Coulomb विस्फोट) पर निकली, एक जांच लेजर शॉट के लिए ले जाया के कच्चे छवि को दर्शाता है। प्रत्येक उज्ज्वल हाजिर एक आयन से मेल खाती है। चित्रा 4 बी 10,000 binarized कच्चे कैमरा छवियों का एक अभिव्यक्त छवि को दर्शाता है। इन छवियों कि हमारे इमेजिंग सेटअप ध्रुवीकरण विमान में सभी कोणों उन्मुखीकरण के अणुओं की निगरानी कर सकते हैं दिखा। चित्रा 4C सामान्यीकृत ध्रुवीय साजिश चित्रा 4 बी की है कि इसी से पता चलता है। क्योंकि घूर्णी नियंत्रण (पंप) नाड़ी अनुपस्थित था, वितरण isotropic है (चित्रा 4C एक चक्र पता चलता है)।

चित्रा 4 बी में, डिटेक्टर inhomogeneity के कारण एक छोटे दोष अंडाकार के तल में देखा जा सकता है। इस तरह की एक दोष हमेशा छवि का एक ही स्थिति में दिखाई देता है। इसलिए, यह गएक मनाया छवियों को एक जांच केवल फोटो (कदम 4.5.3.7) के साथ सामान्य से लिए मुआवजा दिया जाना।

5 चयनित दो पंप दालों के विकिरण के बाद लिया स्नैपशॉट पता चलता है। तो जैसा कि समझ में सुधार करने के लिए, न केवल मनाया आयन छवियों, लेकिन यह भी इसी ध्रुवीय भूखंडों और "डम्बल" मॉडल चित्रों जांच समय के एक समारोह के रूप में दिखाया जाता है। ध्रुवीय भूखंडों कदम 4.5.3.5 में बनाया जाता है। डम्बल तस्वीर को विभिन्न कोणों से उन्मुखीकरण dumbbells की एक छा छवि है, और उनके वजन (अस्पष्टता) मनाया कोणीय संभावनाओं हैं। छवियों के अनुक्रम दिशाहीन आणविक रोटेशन का एक स्पष्ट फिल्म रूपों। गति की लहर प्रकृति जटिल नोडल संरचनाओं और एक "एक्स" -shape गठन सहित फैलाव, के रूप में देखा जा सकता है।

चित्रा 6 एक आयन छवि एक क्षतिग्रस्त भट्ठा और एपी के साथ लिया चलतासेंध साथ भट्ठा बढ़त के hotograph। एक छोटा सा दोष काफी हद तक मनाया छवि को प्रभावित करता है। ऐसे एक मामले में, दोहरा कदम 1.5 की आवश्यकता है। इस तथ्य को भी चर्चा खंड में चर्चा की है।

चित्रा 7 अनुकूलित पंप जांच ओवरलैप हालत में कच्चे कैमरा छवि को दर्शाता है। इस तरह के एक किरण ओवरलैप संकेत निगरानी करके, ऑप्टिकल रास्तों अनुकूलित किया जा सकता। यह एक स्पष्ट फिल्म की ओर जाता है, चित्रा 5 में के रूप में।

आकृति 1
चित्रा 1: अव्यावहारिक ठेठ, और नए विन्यास में कैमरा कोण के वैचारिक आरेख। ठेठ कैमरा कोण में, एक डिटेक्टर लेजर जोखिम से बचने के लिए स्थापित किया गया है, लेकिन आयनों का इंजेक्शन कोण 2 डी अनुमानित छवि से खंगाला नहीं किया जा सकता। वर्तमान में, नए कैमरे के कोण में, बारी-बारी से विमान (लेजर polarizatआयन विमान) डिटेक्टर सतह के समानांतर है और इसलिए घूर्णी गति visualizing के लिए उपयुक्त है। ठेठ पूर्वाग्रह voltages 2500 वी, 1799 वी, 1,846 वी, 253 वी, 0 वी, 3500 वी, वी -800, और आयन प्रकाशिकी 1, 2, 3, 4 के लिए 4,500 वी, और 5, स्पंदित Repeller, microchannel प्लेटें हैं और भास्वर स्क्रीन, क्रमशः। आयन प्रकाशिकी नंबरिंग नीचे इलेक्ट्रोड में शुरू होता है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र 2
चित्रा 2: 2 डी इमेजिंग इकाई के योजनाबद्ध चित्र। (ए) डिटेक्टर विधानसभा के योजनाबद्ध आरेख। एक चक्र प्लेट नारंगी रंग में रंग एक baseplate जो करने के लिए अन्य भागों बोल्ट के साथ बढ़ रहे है। (बी) भट्ठा विधानसभा के योजनाबद्ध आरेख। सही तस्वीरभट्ठा की गति बताते हैं। आकार मान मिमी में हैं। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र तीन
चित्रा 3: वर्तमान पंप जांच ऑप्टिकल सेटअप के योजनाबद्ध आरेख। बारी-बारी से उत्तेजना के लिए पंप दालों के ऑप्टिकल पथ, लाल लाइनों से यह साफ कर रहे हैं, जबकि जांच (इमेजिंग) नाड़ी की है कि ब्लू लाइन द्वारा दिखाया गया है। एनएलसी, दूसरे हार्मोनिक पीढ़ी के लिए nonlinear क्रिस्टल; HWP, आधा waveplate; QWP, क्वार्टर waveplate; डीएम, dichroic दर्पण; बी एस, 50:50 बीम फाड़नेवाला; मानव संसाधन विकास मंत्री: उच्च संकल्प दर्पण माउंट। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Ithin-पेज = "1"> चित्रा 4
चित्रा 4: कच्चे और विश्लेषण किया Coulomb आयन छवियों विस्फोट हो गया। (ए) एन के एक ठेठ कच्चे छवि 2+ एक जांच शॉट के लिए ले लिया है। (बी) के 10,000 binarized कैमरा छवियों के लिए अभिव्यक्त छवि। कैमरा छवि का आकार 1,200 x 750 पिक्सल है। इसी वास्तविक अंतरिक्ष आकार 80 मिमी x 50 मिमी है। (सी) सामान्यीकृत ध्रुवीय साजिश अभिव्यक्त छवि से निर्माण किया। कच्चे और अभिव्यक्त किया छवियों में, झूठे रंग संकेत तीव्रता को दिखाने के लिए जोड़ा गया है। डिग्री में ध्रुवीय कोण परिधि के साथ दिखाया गया है। रेडियल मूल्य एक कोण पर निर्भर संभावना (मनमाना इकाई) है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

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चित्रा 5: लेजर प्रेरित घूर्णी लहर पैकेट गतिशीलता के चयनित स्नैपशॉट। हर बार देरी में, ऊपरी पैनल आयन की छवि में जो अंडाकार आकार एक चक्र के लिए परिवर्तित कर दिया गया है पता चलता है। मध्यम पैनल इसी ध्रुवीय साजिश से पता चलता है। नीचे पैनल कोणीय वितरण की एक डम्बल मॉडल से पता चलता है। यह डम्बल तस्वीर को विभिन्न कोणों से उन्मुखीकरण dumbbells की एक छा छवि है, और उनके वजन (अस्पष्टता) मनाया कोणीय संभावनाओं हैं। ध्रुवीय साजिश चित्रा 4 में के रूप में एक ही इकाई और बड़े पैमाने का उपयोग करता है। आयन की छवि कदम 4.5.3.4 के रूप में तब्दील हो निर्देशांक कार्यरत हैं। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 6
चित्रा 6:प्रयोगात्मक आयन छवि पर भट्ठा दोष का प्रभाव। (ए) मनाया जांच केवल एन 2 + आयन छवि एक क्षतिग्रस्त भट्ठा के साथ लिया। (बी) भट्ठा एक उप मिमी गड्ढा होने बढ़त की तस्वीर। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 7
चित्रा 7: अनुकूलित पंप जांच ओवरलैप हालत में कच्चे कैमरा छवि। जांच के समय टी में सेट कर दिया जाता = पहले पंप नाड़ी विकिरण के बाद 4.0 भज। इस समय, आणविक संरेखण की अधिकतम डिग्री हासिल की है। कैमरा छवि का आकार 1,200 x 750 पिक्सल है। इसी वास्तविक अंतरिक्ष आकार 80 मिमी x 50 मिमी है। फिर से लॉगिन करने के लिएयहां यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए।

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Discussion

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वर्तमान प्रक्रिया एक भट्ठा आधारित 2 डी इमेजिंग सेटअप के साथ आणविक रोटेशन की एक वास्तविक समय फिल्म पर कब्जा करने के लिए सक्षम बनाता है। क्योंकि मनाया आयनों भट्ठा के माध्यम से गुजरती हैं, 1.5 कदम महत्वपूर्ण कदम से एक है। भट्ठा ब्लेड के किनारों तेज किया जाना चाहिए। जब एक छोटे दोष नहीं है, इस तरह के भट्ठा में एक 0.3 मिमी सेंध के रूप में, एक खरोंच आयन छवि में (चित्रा 6) मनाया जाता है। ऐसे एक मामले में, भट्ठा ब्लेड 2,000 धैर्य गीला sandpaper के साथ पॉलिश किया जाना चाहिए।

इसके अलावा चित्र 1 में दिखाया अद्वितीय कैमरा कोण से, इस विधि 3 डी इमेजिंग डिटेक्टर, जो पहले घूर्णी लहर पैकेट इमेजिंग के लिए एकमात्र समाधान था पर कई फायदे हैं।

सबसे पहले, वर्तमान प्रक्रिया में, ऑप्टिकल बीम संरेखण आसानी से बाहर, कच्चे आयन छवियों की निगरानी कदम 4.1-4.2 में के रूप में किया जा सकता है। चित्रा 7 अनुकूलित पंप जांच ओवरलैप हालत में कच्चे कैमरा छवि को दर्शाता है। जब पीUMP-जांच किरण ओवरलैप करते हैं, खो दिया है या anisotropic बढ़ाया छवि हस्ताक्षर चित्रा -4 ए, के रूप में नहीं देखा जा सकता है। इस तथ्य को वर्तमान पद्धति में कदम 4.1-4.2 के महत्व पर जोर दिया। क्योंकि पंप और जांच के बीम के स्थान आकार 10 माइक्रोन के आदेश पर कर रहे हैं, यह आम तौर पर वास्तविक समय छवियों की निगरानी के बिना एक इष्टतम ओवरलैप हालत खोजने के लिए मुश्किल है। एक 3 डी इमेजिंग डिटेक्टर के मामले में, कई सेकंड के लिए पर्याप्त डेटा अंक (कम से कम 1,000 आयनों) जब एक 1000 हर्ट्ज या कम पुनरावृत्ति-दर लेजर कार्यरत है के साथ एक छवि बनाने के लिए आवश्यक हैं क्योंकि गिनती दर में कुछ घटनाओं तक ही सीमित है 3 डी में गोली मार दी डिटेक्टर लेजर प्रति। वर्तमान विधि में, दूसरे हाथ पर, गिनती दर अनिवार्य रूप से असीमित है, और फ्रेम प्रति आयनों की संख्या जोखिम समय देने से बस बढ़ाया जा सकता है। वर्तमान मामले में, 1,000 से अधिक आयनों 50 एमएस जोखिम समय के भीतर पता चला रहे हैं।

वर्तमान पद्धति के उच्च गिनती दर भी होता है एक छोटी डाटा अधिग्रहण करने के लिए समय। क्योंकि कैमरे के फ्रेम दर 250 एफपीएस, यह एक विशेष समय पर आणविक गति से एक स्नैपशॉट लेने के लिए केवल ~ 40 S लेता है। एक ~ 33-FS कदम के साथ एक आणविक घूर्णी पुनरुद्धार समय के साथ माप (~ 8.4 पी एस) के लिए, माप समय केवल कुछ ही घंटे है। क्योंकि प्रयोगात्मक डेटा लेज़रों के सीमित दीर्घकालिक स्थिरता और पूरे प्रयोगात्मक स्थापना से अपमानित किया जाएगा यह एक और फायदा है। हमारे सेटअप में, उदाहरण के लिए, समय की अवधि के समय के साथ आंशिक रूप से FS एम्पलीफायर में तापमान परिवर्तन के कारण बदल जाता है। 6 घंटे के भीतर एक 3-कश्मीर परिवर्तन एम्पलीफायर के थर्मल विस्तार, नाड़ी कंप्रेसर gratings के बीच की दूरी के बढ़ाव सहित में हुई, नाड़ी की अवधि 31 के बढ़ाव के लिए अग्रणी। लेजर बीम बहाव, जो पंप प्रेरित गतिशीलता का संकेत degrades, भी, ~ 8 घंटे के भीतर का पता लगाया है, हालांकि इस बहाव के मूल पहचान नहीं था।

टी "> वर्तमान तकनीक, 2 डी इमेजिंग का एक प्रकार है 3 डी में जानकारी सीमित है। एक Coulomb विस्फोट के मामले में, केवल पता लगाने के विमान में निकली आयनों का टुकड़ा छवि के लिए योगदान करते हैं। इसका मतलब है कि इसे लागू करने के लिए मुश्किल है वर्तमान पद्धति सीधे इस तरह के संयोग इमेजिंग में शामिल लोगों के रूप में जटिल विखंडन प्रक्रिया, अध्ययन 25, 32, 33। हम ध्यान दें कि हमारे विधि के साथ संकेत तीव्रता का योग का पता लगाने के विमान में संभावना के लिए आनुपातिक है। इस पर अप्रत्यक्ष रूप से जानकारी का प्रतिनिधित्व करता है आयाम इमेजिंग विमान 11, 12 में शामिल नहीं है।

हम इस पत्र में Coulomb विस्फोट इमेजिंग पर ध्यान केंद्रित करते हैं, वर्तमान दृष्टिकोण हो सकता है, सिद्धांत रूप में, कि इस तरह के photodissociation में शामिल अध्ययन के रूप में 14, सामान्य आरोप लगाया कण इमेजिंग के लिए आवेदन किया। मेंमौजूदा इमेजिंग प्रक्रिया है, आरोप लगाया कणों की एक 3 डी न्यूटन क्षेत्र के एक 2 डी रण प्राप्त करने के लिए, प्रकाश का ध्रुवीकरण डिटेक्टर सतह के समानांतर होना चाहिए। दूसरे शब्दों में, कैमरे के कोण विशेष परिस्थितियों के लिए सीमित है। इसके अलावा, वर्तमान 2 डी इमेजिंग तकनीक में, एक 3 डी आयन बादल स्थानिक एक 2 डी में कटौती करने के लिए कटा हुआ है और फिर imaged है। इस टुकड़ा इमेजिंग के साथ, कैमरा कोण की स्वतंत्रता अब तक-अप्रत्यक्ष जानकारी है कि कभी कभी लेजर प्रसार दिशा में 26, 34 में प्रकट होता है प्राप्त करने के लिए एक रास्ता खुल जाएगा।

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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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लेजर चालित ultrafast है आण्विक रोटेशन के प्रत्यक्ष इमेजिंग
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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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