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Chemistry

用自由电子激光器进行飞秒近红外/紫外 XUV 泵-探针实验的实验协议

Published: October 23, 2018 doi: 10.3791/57055
Automatic Translation
1, 2,3, 2, 2, 2
1J.R. Macdonald Laboratory, Department of Physics, Kansas State University, 2Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, 3European XFEL GmbH

Summary

本协议描述了用飞秒激光与自由电子激光器相结合进行泵探针实验的关键步骤, 以研究气相分子中的超快光化学反应。

Abstract

本协议介绍了飞秒激光与自由电子激光器相结合的飞秒泵探针实验的关键步骤。这包括在实验过程中建立光学和自由电子激光脉冲之间的空间和时间重叠的方法, 以及数据分析的重要方面, 如对到达时间抖动的校正, 这是必要的。以最佳的时间分辨率获得高质量的泵探针数据集。在闪光 (自由电子激光汉堡) 自由电子激光器上进行了示范性实验, 以速度图离子成像技术研究气相分子中超快光化学, 证明了这些方法。然而, 大多数的策略也适用于类似的泵探针实验使用其他目标或其他实验技术。

Introduction

从自由电子激光器 (费尔斯)1,2的短和强极端紫外线 (XUV) 和 X 射线脉冲的可用性为飞秒泵探针实验的开发开辟了新的机会, 利用现场和元素特异性的内壳光吸收过程3,4,5,6。这些实验可用于研究液体中的分子动力学和电荷转移过程7和气相分子8、9、10、11,12、实时观察催化反应和超快表面化学13、14的时间分辨率为100飞秒或以下。如果通过将同步的光飞秒激光器与 "自由电子" 相结合来执行泵探针实验, 则在上述所有示例中, 必须测量光激光器与自由脉冲之间的固有到达时间抖动。按拍摄的方式进行, 并在数据分析中进行校正, 以便实现最佳的时间分辨率。

在一项大型合作中, 最近在 FLASH XUV 的9、10、11、12中结合了一些与激光和自由电子激光器相融合的泵探针实验. ,16和 LCLS X 射线17设施, 并提出了执行和分析这些实验的实验规程, 这是在以下介绍。为了研究气相分子中的超快光化学, 通过速度图离子成像11、12的方法, 证明了在自由电子激光器上进行的典范实验。然而, 大多数的策略也适用于类似的泵探针实验使用其他目标或其他实验技术, 也可以适应其他的恶魔设施。虽然这里介绍的一些个别步骤或其变体已经在文献18、19、20中进行了讨论, 但本议定书提供了对关键步骤的全面说明,包括一些利用最新技术改进的同步和时序诊断, 这大大提高了泵探针实验的稳定性和时间分辨率12, 21。

下面的协议假定一个泵探针终端站, 如 FLASH22中的营地仪器, 配备了离子飞行时间、离子动量成像或速度图成像 (VMI) 离子光谱仪;喷气或超音速气体喷射;和一个同步近红外 (NIR) 或紫外 (UV) 飞秒激光器, 其脉冲可以与自由电子激光束重叠线性或接近线性, 如图 1所示示意图。此外, 一个适当的诊断工具套件, 如可移动光束查看屏幕 (例如, 在相互作用区域中涂有 Ce: yag 粉末或薄 ce: yag 晶体) 的一层桨板, 一种对自由和激光脉冲敏感的快速光电二极管, 以及一束到达时间监视器 (BAM)23、24或 "计时工具"25、26、27是必需的, 所有这些都通常集成在泵探针端站中, 或者是由恶魔设施提供的, 如果实验前要求。最后, 逐射抖动校正假定实验数据在逐拍的基础上进行记录和访问, 并通过使用唯一的 "束 ID" 或另一种方式链接到一组到达时间抖动的逐拍测量。等价方案。

在 FLASH 中, 对泵探针实验至关重要的特定系统是:

  • 泵探针激光器的主动、全光反馈和稳定系统, 包括一个平衡的光学交叉相关器, 将泵探针激光器的振荡器输出稳定到主激光振荡器, 以及交叉相关 ("漂移相关器"), 以纠正对振荡器21的激光功放的缓慢漂移。
  • 束到达时间监测器 (BAMs), 用于测量在加速器中不同位置的电子束到达时间内的射出变化, 以控制主激光振荡器23、24。它们可用于主动反馈环路, 以稳定与主激光振荡器有关的电子束的时序, 从而减少到达时间内的缓慢漂移。此外, 对实验关闭的 bam (bam 4DBC3) 可用于数据分析中的镜头到镜头抖动校正, 这在实验协议的步骤5.1 中有详细说明。
  • 泵探针激光条纹摄像机, 测量泵浦探针激光输出与在加速器末端的电子束产生的偶极辐射之间的相对时间, 然后再引导到光束转储28。
  • 对焦摄像头, 通过使用激光光束的部分, 通过聚焦透镜后面的最后一个转弯镜漏出, 以寄生监控光学激光器的缓慢空间漂移, 从而图像 "虚拟" 激光聚焦。

类似的系统可在其他的恶魔设施, 是执行可靠的泵探针实验的关键。

Protocol

注意: 在开始此过程之前, 熟悉与实验相关的所有可能的危险是非常重要的。以下程序包括 IV 类激光器、XUV 或 X 射线辐射、高压源、压缩气体和有害或有毒化学品。使用前请查阅所有相关的材料安全数据表 (MSDS), 并遵守所有的安全要求。

1. 准备工作

注意: 在实验开始之前, 必须进行若干选择, 例如, 关于最佳选择泵和探针波长和强度的目标的兴趣和适当类型的光谱仪, 以测量所需的可观察量 (见, e., 方等等 20144和鲁坚科等20155)。在下文中, 不讨论与具体的过程和目标有关的技术方面的问题, 并假设已确定了用于计划实验的自由和光激光器的适当光束参数。安装并运行合适的离子光谱仪。

  1. 自由和激光光束的对准和指向稳定性
    1. 在实验开始时, 对相互作用区域中的可移动光束观察屏幕进行激光和光激光光束的长期指向稳定性的监测, 提高激光器设置和自由激射过程的稳定性(如有必要)。
      注意: 要执行可靠的泵探针实验, 关键是要通过整个光束线/光束路径最佳地对齐和光激光光束, 并指出两个光束的不稳定性小于焦点中的光斑大小。聚焦光激光器和光束的尺寸通常是几到几微米的顺序, 所以光束查看屏幕的空间分辨率以及用于图像此屏幕的光学和相机 (例如长距离微米应付) 需要足够高, 以准确地确定两个横梁的位置。
    2. 通过将光束对准光束线中的所有传输镜和光圈, 避免或最小化在实验与该位置之间的任意剪切。当光束指向逐拍的变化或延迟扫描过程中缓慢漂移时, 可以裁剪光束的任何光圈都可能会损害对自由基脉冲能量的数据进行规范化的能力。
    3. 在所有三个空间维度中, 优化气体射流和光谱仪的位置, 使之与光激光器的焦点和激光聚焦的位置有关。根据设置的细节, 这可能是通过移动真空室或移动单个组件, 和/或移动的焦点位置的恶魔和光激光光束。
  2. 反馈系统和诊断工具的正常运行
    确保所有必要的反馈系统和诊断和监控工具均已启用、正常运行, 并在必要时将其数据记录在 "恶魔机" 数据流中。在闪光时, 包括泵探针激光器的全光反馈和稳定系统;束到达时间监测器 (BAMs);泵探针激光条纹相机;和虚拟对焦摄像头。有关这些系统的详细说明, 请参阅简介。
    注意: 在执行泵探针实验时, 强烈建议持续监控这些系统, 以尽可能快地了解可能出现的问题, 例如, 使用激光同步系统。

2. 建立自由光束与光激光束之间的空间重叠

  1. 在 Ce 上直观地重叠横梁: 交互区域中的 YAG 光束查看屏幕
    1. 请确保离子 (和电子) 探测器和离子光谱仪电极上的高电压在继续之前关闭。
    2. 使用光束线中安装的滤波器和衰减器来减少光脉冲能量和光学激光器的功率, 以避免聚焦光束对观察屏幕造成损坏, 从而降低1% 的传输量。
    3. 将光束查看屏幕插入到交互区域中。如果您无法检测到光束点, 请稍微增加其强度。
      注: 根据实验几何 (完全共线或近共线的, i. e., 与光激光光束对齐在一个小角度相对于 "恶魔" 光束, e.为了避免在钻孔 incoupling 的孔中失去太多的动力镜像), 它可能是关键的屏幕恰好位于交互区域的位置, 因为即使小的几毫米的位移可能导致光束在接近共线几何的情况下的错位。
    4. 通过关闭激光快门, 并通过使用相机数据采集软件创建一个 "感兴趣区域 (ROI)", 在查看屏幕上标记该光束的位置, 从而阻止光学激光器。
    5. 通过关闭 "开关" 快门并检查光学激光光束在观察屏幕上的位置, 阻挡该光束。使用合适的光学激光转向镜, 使激光光束与点的标记位置重叠。
      注: 对于大多数泵探针实验, 使用大于探头光束光斑尺寸的泵束的光斑尺寸是有益的。这有助于找到良好的空间重叠, 并使实验更健壮的小指向波动, 从而最大限度地减少探测目标没有被泵脉冲激发的空间区域的概率。一般来说, 比探针点更大的泵也能确保更均匀的激发。
    6. 重复步骤2.1.4 和2.1.5 来微调重叠并验证重叠是否稳定。
    7. 移除光束查看屏幕。然后, 打开探测器和光谱仪的高电压。
      注意: 如果在交互区域的观察屏幕上的光束的视觉重叠不给出满意的结果, 如果在步骤3.2 所述的后续步骤中找不到双色信号, 则横梁之间的空间重叠如步骤2.2 所述, 如果有可用的离子成像光谱仪, 则可以更精确地定义使用离子信号。此过程也描述在约翰松等. 201019。
  2. 使用离子飞行时间信号和离子图像重叠横梁
    1. 探测器平面中的重叠
      1. 将光谱仪电压设置为 "空间成像模式", 即离子检测器图像是交互区域的直接放大图像。此模式的电压设置取决于特定光谱仪。
      2. 选择与非碎片分子父离子相对应的离子图像, 或使用原子靶, 并选择单独产生的离子电荷状态,例如, g。H2O+从真空室内残余气体中的离子。如有必要, 减少使用或激光强度产生这样的电荷状态。避免使用超音速光束引入的目标, 因为光束速度可能会伪造程序。
      3. 使用激光快门阻挡光激光器, 并标记由恶魔光束产生的离子的命中位置。
      4. 使用 "自由" 快门阻挡恶魔光束, 记录光学激光光束产生的相同离子种类的位置。使用合适的光学激光转向镜, 将激光束对准, 直到离子击中位置重叠, 并尽可能地与由恶魔光束产生的离子的标记位置重合。
      5. 为了使两束光束沿光束传播方向重叠, 请移动激光聚焦透镜, 直到激光聚焦在光谱仪中心。
      6. 重复步骤2.2.1.3 和2.2.1.4 来微调重叠并验证重叠是否稳定。
    2. 在飞行时间方向上的重叠
      1. 在 "飞行时间模式" 中操作光谱仪, 这样就可以在快速示波器或数字化仪上监视离子检测时序信号 (i. e., 离子飞行时间频谱), 这是由恶魔主触发器触发的。.避免在威利-迈凯轮条件下操作光谱仪, 使飞行时间对沿光谱仪轴的起始位置敏感。
      2. 在离子飞行时间频谱中, 识别并放大与2.2.1.2 中使用的同一离子对应的峰值。
      3. 使用激光快门阻挡光激光器, 并精确地标记由恶魔光束产生的飞行时间峰值的中心。
      4. 使用 "魔" 快门阻止 "恶魔光束", 并找到由光学激光光束单独产生的相同飞行时间峰值的中心。使用合适的光学激光转向镜, 对齐激光光束, 直到光学激光光束产生的飞行时间峰值与该光束所产生的峰标中心完美重合。
        注意: 这仅适用于光学激光脉冲的到达时间和脉冲在约纳秒内。如果有疑问, 请执行步骤3.1 中描述的 "粗略计时" 步骤, 然后再进行空间重叠过程。
      5. 重复步骤2.2.2.3 和2.2.2.4 来微调重叠并验证重叠是否稳定。

3. 建立自由脉冲与光激光脉冲之间的时间重叠

  1. "粗糙" 时间
    注意: 在 "DC in" 和一个快速 (≥10 GHz) 连接的 9 V 电池的 "偏置 T" 中, 通过短 SMA 电缆连接的快速光电二极管, 可确定皮秒脉冲与光学激光脉冲之间的粗糙时间, 并将其与数个十个数的精度进行比较振loscope, 由恶魔主触发器触发。通常情况下, 二极管不会直接放置在激光光束中, 因为这可能会破坏二极管。相反, 它被安装垂直于恶魔光束, 并且一个可移动的网格被用来发送少量的散射光子到二极管。
    1. 使用光束线中安装的滤波器和衰减器, 减少光脉冲能量和光学激光器的功率, 使散射光信号不会破坏光电二极管。安全起始点通常是传输值 1% (i. e., 99% 衰减)。
    2. 将散射网格插入光束中。优化网格和自由脉冲能量和激光功率的位置, 使每个光束单独产生一个清晰的信号, 并且两个信号具有相同的高度。
    3. 使用激光快门阻挡光激光器, 并使用最优质的时间基础, 在示波器上保存参考跟踪 (约100个平均值)。
    4. 使用 "恶魔快门" 拦截 "恶魔光束", 并将所产生的轨迹与激光信号进行比较, 并将其与 "恶魔参考" 进行在激光信号的起始位置, 将激光脉冲的到达时间精确地定位在信号起始处, 从而对光学激光器的延迟阶段进行适当的转换。
    5. 重复步骤3.1.3 和 3.1.4, 以验证根据光电二极管的分辨率, 自由基和激光脉冲在时间上是否尽可能接近。
    6. 如果由于上述过程, 激光脉冲的时间被转移超过1纳秒, 重复步骤 2.2.2 ("在飞行时间方向上的重叠") 与新的激光计时。
  2. "精细" 计时
    注: 精确时间T0, 当自由和激光脉冲在时间上完全重叠时, 可以使用两种颜色 (红色 + 激光) 信号来显示最大值或 "步长函数"-如增加或减少,e.g., 在离子屈服或给定离子片段的动能。由于适当的方法取决于自由和激光波长, 下面介绍了几种方法。
    1. T0用氙气体测定 XUV + 近红外脉冲
      注意: 此方法适用于800或 400 nm 激光脉冲和 XUV 脉冲高于 Xe (4d) 电离阈值在 67.5 eV。
      1. 由于氙气的高吸收横截面, 衰减电子和光激光器以避免损坏具有过高计数率的离子 (和电子) 探测器。
      2. 通过气体喷射将 Xe 气体引入室内, 或通过针头阀将其泄漏到真空中。在后一种情况下, 调整压力介于 1 x 10-7和 1 x 10-6毫巴之间。
      3. 记录离子飞行时间频谱。使用激光快门阻挡激光, 并调整其脉冲能量, 使离子飞行时间频谱以单光子过程为主, 例如, xe2 +和 xe3 +峰值是最强的 xe 电荷状态在飞行时间频谱和较高电荷状态 (几乎) 不存在。如有必要, 调整 Xe 压力, 使两个峰值都在探测器的动态范围内以及数据采集系统中。
      4. 使用 "恶魔快门" 阻止 "恶魔" 并取消屏蔽激光。调整激光功率, 使激光脉冲主要产生 xe+和只有少量的 xe2 +。
      5. 解锁的恶魔和设置的时间之间的电子和激光, 使激光脉冲到达约 200 ps前的自由基脉冲 (基于T0 的近似读数从 "粗糙" 计时方法中所述的步骤3.1). 记录离子飞行时间频谱, 并确定 xe2 +至 xe3 +与飞行时间频谱中相应峰值区域的比值。
      6. 设置的时间之间的自由和激光, 这样的激光脉冲到达约 200 ps后, 根据T0 从 "粗糙" 计时方法获得的的自由基脉冲。记录 xe 离子飞行时间频谱, 并确定 xe2 +到 xe3 +的比率。如果自由和激光脉冲之间的空间重叠是好的, 它将显著改变从步骤3.2.1.5 中获得的比率, 与 Xe3 +信号现在比在步骤3.2.1.5 更强, 如图 2所示。
      7. 在步骤3.2.1.5 和3.2.1.6 中的值之间设置激光计时。
      8. 记录离子飞行时间频谱, 并确定 xe2 +到 xe3 +的比率。如果该比值类似于步骤3.2.1.5 中的一个, 则激光脉冲仍会在自由脉冲之前到达。如果该比值类似于步骤3.2.1.6 中的一个, 则激光脉冲仍会在自由脉冲之后到达。
      9. 如果激光脉冲仍然到达之前的3.2.1.5 脉冲 (i.e., 与步骤的比率类似), 设置在当前值和步骤3.2.1.6 中的值之间的时间一半的方式), 否则设置它一半的方式在当前值和步骤中的值之间3.2.1.5)。
      10. 重复3.2.1.8 和3.2.1.9 直到T0 的位置被缩小到精度优于 500 fs。
      11. 设置延迟扫描在 +/-1 ps 周围的大约位置的T0 在步骤 50 fs (或更小, 取决于近红外和自由脉冲持续时间)。记录飞行时间频谱, 并确定 xe2 +到 xe3 +的每一个步骤的比率。信号中 "步进函数" 的中心将产生 T0的精确位置。
    2. T0使用 CH3I 确定 XUV + NIR 或 UV 脉冲
      注意: 此方法适用于 XUV 脉冲高于 I (4 d) 电离阈值在 ~ 57 eV 和 266 nm 或 800 nm 激光脉冲 (400 nm 是未经测试, 但可能也是可能的)。它也可以使用 CF3i 而不是 CH3i 执行。
      1. 衰减电子和光激光器, 以避免损坏检测器的计数率过高。
      2. 引入 CH3I 分子进入腔室要么通过气体射流或通过针阀泄漏到真空。在后一种情况下, 调整压力介于 1 x 10-7和 1 x 10-6毫巴之间。如果 CH3I 样品的蒸气压不足以形成分子束, 则使用他作为载体气体。
      3. 记录离子飞行时间频谱。使用激光快门阻挡激光, 并将自由脉冲能量调整为最高可用脉冲能量。
      4. 使用 "恶魔快门" 阻挡恶魔。当使用 266 nm 脉冲时, 调整激光功率, 使激光产生 CH3i+离子和少量的 i+和 CH3+。当使用 800 nm 脉冲时, 请调整激光功率, 使激光器产生大量的 CH3i +、i+和 ch3+离子, 但只有少量的高电荷离子。
      5. 设置的时间之间的电子和激光, 这样的激光脉冲到达约 200 ps 之前的自由基脉冲 (基于T0 的近似读数从 "粗糙" 计时方法中描述的步骤 3.1)。记录离子飞行时间频谱, 或使用速度图成像 (VMI) 光谱仪时, i4 +片段的离子图像 (对于 600 eV 以下的光子能量, 也可以使用 i3 +片段)。调整光谱仪的电压, 使与单独和乘以带电碘片段对应的飞行时间峰是广泛的 (因为它们的大动能) 或, 当使用 VMI 光谱仪, 这样, I4 +离子图像覆盖大多数探测器。
        1. 在离子飞行时间频谱中, 与 I4 +片段对应的峰值 (以及与较高碘电荷状态对应的峰值) 将在中间有一个窄尖峰 (见图 3A)。当使用 VMI 光谱仪时 (根据光谱仪分辨率和激光偏振方向), 小亮点将出现在 I4 +离子图像的中心附近 (见图 3B)。如果未显示这些功能, 则计时或空间重叠不正确。
      6. 设置的时间之间的自由和激光, 这样的激光脉冲到达约 200 ps 后, 根据T0 从 "粗糙" 计时方法获得的的自由基脉冲。记录离子飞行时间频谱或 I4 +片段的离子图像。在 TOF 峰中间的尖峰和 VMI 图像中心的亮点将会消失。
      7. 在步骤3.2.2.5 和3.2.2.6 中的值之间设置激光定时半路。
      8. 记录离子飞行时间频谱或 I4 +离子图像, 并确定是否存在尖峰或点 (s)。如果它们存在, 激光脉冲仍会在自由脉冲之前到达。如果它们不是, 激光脉冲仍然到达后的自由脉冲。
      9. 如果激光脉冲仍然到达在3.2.2.6 脉冲之前, 请在当前值和步长的值之间设置时间一半, 否则在当前值和步骤3.2.2.5 中的值之间设置半路。
      10. 重复3.2.2.8 和3.2.2.9 直到T0 的位置被缩小到精度优于 500 fs。
      11. 在 50 fs 的步骤中, 在T0 的近似位置周围设置 1 ps 的延迟扫描。为每个步骤记录 I4 +片段的飞行时间频谱或离子图像。将尖峰或亮斑的屈服作为延迟的函数来绘制。信号中的 "步进函数" 的中心是在 120-150 fswith 的延迟, 相对于T09,10。

4. 微调双色信号的空间重叠

注意: 虽然在步骤2.1 和2.2 中描述的空间重叠的过程通常足够精确, 能够观察到建立时态重叠 (步骤 3) 过程中描述的双色信号, 但通常最好微调在开始实际的泵探针实验之前, 此双色信号的空间重叠。

  1. 为了微调空间重叠, 请仔细调整用于确定空间重叠的反射镜, 从而最大程度地提高 xe2 +到 xe3 +比, 当激光脉冲到达约 1 ps后的自由脉冲。
  2. 或者, 如果使用 CH3I 执行时态重叠过程, 则当激光脉冲到达约 1 ps之前, 在 i4 +片段中, 最大化低能量分量的屈服。
    注意: 理想情况下, 此微调过程在实际目标分子中使用双色信号重复, 一旦找到此类信号。

5. 数据分析中的到达时间抖动校正

注意: 为了实现最佳的时间分辨率, 必须对单次拍摄的数据进行校正, 以确保按束到达时间监视器 (BAM) 或时序工具测量的射出到达时间波动, 如萨韦利耶夫中所述. 等。201712。

  1. 基于 BAM 数据的到达时间抖动校正
    注意: 为了确定t0的唯一和通用值, 必须在确定t0 的数据上同时执行到达时间抖动校正的相同过程 (例如, 获取的数据在步骤 3.2) 和实际实验数据的兴趣。为了进行以下描述, 假定T0 是通过测量 Xe 离子飞行时间轨迹来确定的。在其他情况下, 该协议可以等价地应用。
    1. 将条纹摄像机值、激光时序抖动和 BAM 值绘制为所有感兴趣的泵探针扫描的整个范围的拍摄编号函数。如果有大的, 突然跳跃超过 1 ps, 这可能是一个迹象的激光锁丢失或其他技术问题, 在这个特定的扫描。该区域中的某些数据可能不适合以下所述的更正, 可能必须放弃。
    2. 为在步骤3.2.1.11 中执行的延迟扫描的每个镜头, 绘制关闭到实验 (bam 4DBC3) 的 bam 的 bam 值的直方图。
    3. 选择接近分布中心的值, 并将其定义为引用值 BAM0。
    4. 对于每张延迟扫描的镜头, 计算校正后的延迟Dn, 其中 n 是拍摄号码, 如
      Dn = Pn + (bamn -bam0) (1)
      其中Pn 是延迟阶段位置, bamn 是n次拍摄的 bam 值。请注意, 更积极的 BAM 值意味着激光和恶魔脉冲之间的延迟更大, 我. e。
    5. 根据校正后的延迟值在合适的延迟箱中对单次飞行时间轨迹进行排序, 并在 xe2 +至 xe3 +比率中确定步长函数的中心位置, 从而产生T 0 的校正位置.
    6. 使用与步骤5.1.4 中的BAM0 相同的值), 计算延迟扫描的每个镜头的校正延迟Dn , 并使用 eq 的实际泵探针数据. (1)。

Representative Results

如果在离子分光计的相互作用区域中, 电子和光学激光脉冲在空间上重叠, 则时间重叠 ( i. e) 的延迟值T 0, 在这种情况下, 可在同一时间精确到达自由和激光脉冲。通过改变3.2.1 和近红外脉冲之间的延迟, 并通过分析 xe2 +到 xe3 +离子屈服的比率作为延迟函数, 如上文第节所述。当近红外脉冲到达 (需要具有 67.5 eV 或更高的光子能量)后, xe3 +离子屈服是由于在螺旋衰减过程中产生的激发、亚稳态 Xe2 +离子的后电离而增加的。过程遵循 Xe (4d) 内壳电离18, 如图 2所示。将 xe2 +至 xe3 +离子屈服的比率绘制为延迟函数, 从而产生一个步长函数, 可对其进行拟合以提取T0的精确值。

通过改变原子和激光脉冲之间的延迟, 并通过分析高电荷碘离子的离子飞行时间轨迹或离子动量图像 (如 i3 +或 i4 +), 通过 CH 3 的电离创建, 可以获得类似的步进函数.I, 如上文所述步骤 3.2.2)。在这种情况下, 低能量贡献将显示为在飞行时间频谱中高电荷碘峰值的中心的额外峰值, 或作为相应动量图像中心的亮点, 如图 3所示。当 CH3I 分子首先被激光脉冲分离, 离子片段随后被原子脉冲9,10后电离后, 就会产生低能量离子。该方法可用于在泵探针实验中使用近红外或 UV 脉冲, 只要原子光子能量大于 57 eV, 即 CH3i 中的碘 4d内壳电离阈值。

为了纠正与激光脉冲有关的自由脉冲相对到达时间的抖动,图 4所示的束到达时间监视器 (BAM) 记录的按拍摄数据可用于对记录的泵探针数据进行排序。后分析, 如上文5节所述。这通常会大大提高泵探针数据的时间分辨率和整体质量, 如图 4所示, 并在萨韦利耶夫et 等201712中更详细地说明。

Figure 1
图 1: 实验设置.气相分子紫外泵 XUV 探针实验装置的示意图。UV (266 nm) 激光光束是以800纳米钛 (钛: Sa) 光束 (采用β钡硼酸盐 (BBO) 晶体并使用棱镜压缩机压缩) 的第三次谐波产生的。它是线性重叠与 XUV 的恶魔光束使用一个钻孔的镜子, 集中在超音速气体光束的中心的双面速度图成像光谱仪22,29。离子和电子动量分布在光谱仪的两端被记录, 使用 MCP/荧光粉屏幕组件, 然后是 CCD 相机。请点击这里查看这个数字的更大版本.

Figure 2
图 2: Xe 离子屈服的延迟依赖性.Xe 离子飞行时间频谱 (由快速数字化仪记录的解耦 MCP 信号), 在 83 eV 光子能量和近红外激光脉冲到达1微秒之前 (顶部, 黑色跟踪) 和后 (底部, 红色跟踪) 的自由脉冲。xe2 +到 xe3 +比率的变化是清晰可见的。请点击这里查看这个数字的更大版本.

Figure 3
图 3: 延迟-碘离子屈服和动量的依赖性。(A)在 CH3的离子飞行时间频谱中, i4 +峰值的放大我记录在 727 eV 光子能量和紫外激光脉冲到达之前 (红线) 和后 (黑线) 的红光脉冲。蓝绿线分别显示了自由和紫外激光脉冲的飞行时间频谱。这个数字是从铃等201610修改的。(B) i3 +离子的离子动量图像从 CH3我记录在 107 eV 光子能量和与紫外激光脉冲到达之前的自由脉冲。(C)与(B)相同, 但随着紫外脉冲到达后。(B)和(C)中的色标显示任意单位的离子屈服。请点击这里查看这个数字的更大版本.

Figure 4
图 4: 与光学激光脉冲有关的自由脉冲的相对到达时间抖动。(A)在一个典型的延迟扫描过程中记录的所有电子镜头的射出的束到达时间监视器 (BAM) 数据。引用值bam0 设置为此扫描的平均 BAM 值。(B)低动能 I3 +离子的产生在 XUV 泵探针实验中产生的二碘苯在校正射到射到达抖动之前。红线显示了对实验数据的累积分布函数 (高斯误差函数) 的最小二乘法拟合。拟合参数σ是测量泵-探针实验总时间分辨率的一种措施。(C)与(B)相同, 但使用 BAM 数据将单次图像诉诸新的延迟箱。误差线表示一个标准偏差。图改编自萨韦利耶夫等. 201712。请点击这里查看这个数字的更大版本.

Discussion

由于实验装置的复杂性, 用自由电子激光器进行的泵探针实验需要高水平的专业知识和经验, 需要非常仔细的准备和与操作的科学团队的详细讨论。自由电子激光器、光学激光器和终端站, 无论是在实验之前还是在试验期间。在执行实际实验时, 如本议定书所述, 精确确定空间和时间重叠并密切监测所有诊断和时序系统是必不可少的。

请注意, 此处描述的大多数方法仅适用于一个特定的光子能量范围, 因为它们依赖于强烈依赖于光子能量的效应。例如, 使用散射光定向在光电二极管上的 "粗糙" 时态重叠的确定可以很好地用于高达 250 eV 的光子能量。在较高的光子能量下, 由自由脉冲产生的信号变得非常小, 难以检测到。在这种情况下, 可以将一根开放式 SMA 电缆带到或甚至进入 "恶魔光束", 从而产生一个更可靠的信号来执行协议步骤3.1 中描述的过程。同样, 在步骤3.2 中描述的确定 "精细" 时序的最佳目标是强烈依赖于光子能量。对于在 XUV 和软 X 射线区域超过 65.7 ev 和 ~ 57 ev 光子能量 (对应于氙和 ch3i 中的 4d电离阈值), Xe 和 ch3, 我被发现是合适的程序目标步骤3.2 中所述。使用 CH3的方法, 我被发现工作的光子能量高达 2 keV (上面它尚未被测试), 而使用 Xe 的方法已测试高达 250 eV。对于低于 50 eV 的光子能量, 可使用 H2中的粘结软化过程19。在 400 eV 以上的光子能量中, N2中的类似过程也适用于20。替代方法包括固体样品25、26、30的反射率变化或光电子谱31、32中侧带的形成。

为了达到最佳的时间分辨率, 有必要在数据分析中逐拍地对实验数据进行排序, 以补偿在5中所述的自由基和光激光脉冲之间的到达时间抖动。然而, 泵探针数据的质量, 特别是可实现的时间分辨率, 很大程度上取决于在实验过程中的模拟器的性能和光学激光脉冲的脉冲时间和可以提供的自由脉冲。在这段时间。对于此处显示的示例性数据, UV 脉冲的脉冲持续时间估计为 150 fs (FWHM), 且该脉冲持续时间估计为 120 fs (FWHM)。虽然抖动校正前大约 90 fs (rms) 的总到达时间抖动可以减少到大约 27 fs (rms) 使用此处所述的过程12, 由此产生的总时间分辨率的改进由于电子和光学激光器的脉冲持续时间较长, 实验结果相当小。然而, 两者都可以大大减少, 在这种情况下抖动校正方案的影响将更加显著。例如, 一个新的光学激光器目前正在安装在闪光灯, 这将有一个脉冲持续时间 (在近红外线) 低于 15 fs, 而新的飞秒操作模式也正在测试, 可以产生的脉冲持续数个或甚至下面。这些发展将很快使泵探针实验结合了飞秒和光激光脉冲的总时间分辨率只有几个十个。

虽然费尔斯产生的短和强 XUV 和 X 射线脉冲的可用性增加了许多 NIR/紫外 XUV 泵探针实验, 如此处所述, 类似的泵探针实验也可以进行高谐波生成(高次谐波) 源33、34、35。基于恶魔的实验的主要限制通常是可实现的时间分辨率, 这从根本上限制了在电子和光学激光器之间的同步, 或通过与泵和的相对时序的精度探针脉冲可以测量。对于基于高次谐波的泵探针实验而言, 这种情况并非如此, 因为 XUV 和近红外脉冲在本质上与子周期精度同步, 因此通常可以具有更高的时间分辨率。在另一方面, 基于恶魔的实验的主要优势是多量的光子能量的数量级, 这使得实验, 例如, 在稀释目标不可行与当前的高次谐波源, 特别是在较高光子能量在软 X 射线的制度。因此, 在可预见的未来, 费尔斯和高次谐波的水泵探针试验将保持互补, 在 XUV 地区, 两者都有重叠, 可以用于类似的调查。执行这些实验的一些步骤也类似, 这里描述的一些方法也可以应用于基于高次谐波的泵探针实验。

Disclosures

作者声明没有竞争利益。

Acknowledgments

作者感谢萨韦利耶夫, 塞德里克 Bomme, 诺拉 Schirmel, 哈拉 Redlin, 斯特凡 Düsterer, 厄兰穆勒, Hauke Höppner, 斯文 Toleikis, 约斯特穆勒, 玛丽克里斯汀 Czwalinna, 拉尔夫 Treusch, 托马斯 Kierspel, 特伦斯马林斯, 塞巴斯蒂安 Trippel, 香维泽,Jochen Küpper, 费利克斯 Brauβe, 法鲁克 Krecinic, 阿诺德 Rouzée, 彼得亚雷 Rudawski, 每约翰松, Kasra 阿米尼, 亚历山德拉马特·劳尔, 迈克尔伯特, 马克 Brouard, 自嘲克里斯滕森, 1月 Thøgersen, 亨利 Stapelfeldt, 诺拉 Berrah, 玛丽亚穆勒, 阿纳托利 Ulmer, 西蒙妮 Techert, 阿尔乔姆鲁坚科、丹妮鲁普和媚兰 Schnell 参加了 FLASH beamtime, 在此期间, 这里所展示和讨论的具体数据被获取, 并为分析和解释作出了贡献。在 FLASH 的科技团队的工作, 使实验成为可能的, 也感激地承认。D.R. 承认, 美国能源部科学办公室, 自然科学, 地球科学和生物科学部门的支持, 授予 no。DE-FG02-86ER13491。在闪光的实验也得到了亥姆霍兹礼俗社会通过亥姆霍兹年轻研究员计划的支持。我们感谢 max 普朗克学会为 CFEL 的 max 普朗克高级研究小组的发展和最初的运作提供资金, 并为 CAMP@FLASH 提供这一设备。CAMP@FLASH 的安装部分由 BMBF 赠款05K10KT2、05K13KT2、05K16KT3 和05K10KTB 提供资金 FSP-302

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Xenon Linde minican
CH3I (methyl iodide) Sigma Aldrich 67692 or other suitable sample
FEL pump-probe endstation CAMP@FLASH or LAMP@LCLS or a similar endstation at another FEL facility
fast XUV photodiode Opto Diode Corp. AXUVHS11
bias T Tektronix PSPL5575A
fast ( ≥2 GHz) oscilloscope LeCroy WaveMaster 8600A

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References

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化学 问题 140 泵探针实验 飞秒激光器 自由电子激光器 抖动校正 时间和空间重叠 气相分子 原子和分子物理学 光化学
用自由电子激光器进行飞秒近红外/紫外 XUV 泵-探针实验的实验协议
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Rolles, D., Boll, R., Erk, B., Rompotis, D., Manschwetus, B. An Experimental Protocol for Femtosecond NIR/UV - XUV Pump-Probe Experiments with Free-Electron Lasers. J. Vis. Exp. (140), e57055, doi:10.3791/57055 (2018).

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