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Chemistry

実験的プロトコル フェムト秒近赤外/紫外-自由電子レーザーによる XUV ポンプ ・ プローブ実験

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

このプロトコルでは、実行して気相分子の超高速の光化学反応を研究するために自由電子レーザーを用いたフェムト秒光レーザーを組み合わせたポンプ ・ プローブ実験の分析の主要な手順について説明します。

Abstract

このプロトコルでは、実行して自由電子レーザーを用いたフェムト秒光レーザーを組み合わせたフェムト秒ポンプ ・ プローブ実験の分析の主要な手順について説明します。これは空間と時間に必要な到着時間ジッタの補正など、データ分析の重要な側面と同様に、実験では、光と自由電子レーザー パルス間で重複するメソッドが含まれます最高の可能な一時的な決断の高品質ポンプ-プローブ データのセットを取得します。これらのメソッドは、フラッシュ (自由電子レーザー ハンブルク) 自由電子レーザーで速度地図イオン イメージングによる気相分子の超高速光化学を研究するために実行される模範的な実験のために発揮されています。ただし、戦略のほとんどはまた他のターゲットまたは他の実験技術を使用して同様のポンプ ・ プローブ実験に適用されます。

Introduction

短くて強烈な極端紫外 (紫外線)、x 線自由電子レーザー (FELs)1,2からパルスの可用性はフェムト秒ポンプ ・ プローブ実験サイト-利用するための新しい機会を開いたと要素の内殻光吸収プロセス3,4,5,6の特異性。そのような実験を使用することができます、例えば、分子動力学を調査し、電荷移動過程液体7と気相分子8,9,10,11,12, と超高速触媒反応のリアルタイム観測表面化学13,14 100 フェムトの以下の時間分解能を持つ。FEL と同期光フェムト秒レーザーを組み合わせることで、ポンプ ・ プローブ実験を実行する場合のすべての例の場合、上記光レーザーと自由電子レーザー パルス固有の到着時間ジッタが測定するにはショット毎ごとに、可能な限り最高の時間分解能を達成するためにデータ分析の修正。

大規模なコラボレーション内で自由電子レーザーを用いた光レーザーを組み合わせていくつかのポンプ ・ プローブ実験は最近実行9,10、11,12、両方をフラッシュ XUV FEL15 ,16とローレンスリバモア x 線自由電子レーザー17施設、実行して、これらの実験の分析のための実験プロトコルを開発したが、次のように表示されます。速度地図イオン イメージング11,12による気相分子の超高速光化学を研究するためにフラッシュの自由電子レーザーで実行される模範的な実験の方法が示されています。しかし、戦略のほとんどは、他のターゲットまたは他の実験技術を使用して同様のポンプ ・ プローブ実験にも適用、他自由電子レーザー施設に適応することができます。個々 のステップのいくつかをここで提示、またはそのバリエーションはすでに文学18,19,20で説明されている、このプロトコルは、キーの手順では、包括的な説明を提供します。いくつかの同期とタイミングの診断は、ポンプ ・ プローブ実験12の時間分解能と安定性がだいぶ改良され、最も最近の技術的な改善の活用を含む 21。

次のプロトコルを想定していますフラッシュ22イオンを時間フライト、イオン運動量イメージング、またはイメージ (VMI) イオン分光器; 速度地図搭載でキャンプの楽器などポンプ プローブ端駅、感情をあらわにまたは超音速ガスのジェット機;同期された近赤外線 (NIR) や紫外線 (UV) フェムト秒レーザー、そのパルス重ねることができます近く線上同一線上、または自由電子レーザーを用いた概略図 1のスケッチとして。取り外し可能なビーム表示画面など診断の適切なスイートのツールをさらに、(e.gCe:YAG 粉や薄い Ce:YAG 結晶でコーティングされたパドル) 相互作用領域、高速フォト ダイオードの自由電子レーザーとレーザー パルスに敏感、束。到着時間の監視 (BAM)23,24または「タイミング ツール」25,26,27が必要、すべてのポンプ ・ プローブのエンド ステーションに統合されて通常場合に自由電子レーザー施設によって提供されます。実験の前に要求されました。最後に、ショットによってジッター補正があると想定実験データ記録とショット毎にアクセスし、リンク束到着時間ジッタのショットによって測定するユニークな「束 ID」を使用して、または別の同等の手法。

フラッシュにポンプ ・ プローブ実験のために重要である特定のシステムがあります。

  • アクティブな全光フィードバックとポンプ プローブ レーザー マスター レーザー発振器にポンプ ・ プローブ レーザー発振器の出力が安定するバランスの光のクロス相関を含むマスター レーザー発振器の安定化システムと相関-クロス (「ドリフト相関」) 発振器21に関してレーザー増幅器の低速のドリフトを修正します。
  • 束到着時間モニター (タンヤオ) 電子束到着時間のマスターに対してアクセラレータで様々 なポジションでショットにバリエーションを測定するレーザー発振器23,24です。アクティブなフィードバックを使用することができます電子のタイミングを安定させるためにループ房マスター レーザー発振器は、到着時間の遅いドリフトを減らすに関して。また、BAM が位置して実験に閉鎖手順 5.1 実験的プロトコルの詳細は、データ分析でショットするジッタ補正 (BAM 4DBC3) を使用できます。
  • ポンプ-プローブ レーザー ストリーク カメラ、測定するポンプ ・ プローブ間の相対的なタイミング レーザー出力とそれがビーム ダンプ28に導かれる前にアクセルの終わりにバンチによって生成された双極子放射。
  • 寄生光レーザーの遅い空間漂流を監視するためにレンズの焦点の背後にある最後の回転ミラーを介して漏れはレーザービームのパーツを使用して「仮想」レーザー フォーカス画像フォーカス カメラ。

同様のシステムは他の自由電子レーザー施設で利用可能な信頼性の高いポンプ ・ プローブ実験を実行するために重要です。

Protocol

注意: この手順を開始する前にそれは非常に実験に接続されているすべての可能な危険を理解することが重要です。以下の手順では、クラス IV レーザー、紫外線または x 線の放射、高電圧ソース、圧縮ガス、有害か有毒な化学薬品を含まれています。使用する前にすべての関連する化学物質安全性データ シート (MSDS) を参照してください、自由電子レーザーとレーザー施設で義務付けられてすべての安全要件に準拠してください。

1. 準備

注: 必要、実験の開始前にいくつかの選択肢になります、例えば、必要な測定するポンプ ・ プローブ波長および強度利子および分光計の適切な種類のターゲットのための最適な選択について。観測可能なオブジェクト (例を参照してください。、牙ら20144とルデンコら20155)。以下では、特定のプロセスに関連するこれらの技術的側面と勉強しなければならない目標は説明しませんと FEL の適切な梁パラメーターおよび計画の実験のための光学レーザーが決定されていると見なされます設定し、適切なイオン分析計がインストールされ、動作します。

  1. 配置と自由電子レーザーとレーザーのビームの安定性を指摘
    1. 実験の先頭ショット毎と自由電子レーザーと光レーザー相互作用領域の取り外し可能なビーム表示画面上の長期のポインティング安定性監視し、レーザーのセットアップと FEL 発振プロセスの安定性を向上、必要に応じて。
      注: 信頼性の高いポンプ ・ プローブ実験を実行するには、それ重要です自由電子レーザーと光レーザ光線は全体ビームライン/ビーム パスを介して配置最適ポインティング両方のビーム不安定性、フォーカス、スポット サイズより小さい。光レーザーと自由電子レーザー ビームのサイズ、通常はおよそ数十マイクロメートルにので表示画面と光学系とカメラ画像のこの画面に使用するビームの空間分解能 (e.g長距離マイクロ。対処しなさい) は十分に高い両方のビームの位置を正確に判断する必要があります。
    2. 避けるか FEL ビーム実験と自由電子レーザー パルス エネルギーが中心にすべてのトランスポート ミラーおよびビームラインでの開口部のビームによって測定される位置の間の任意のクリッピングを最小化します。遅延スキャンの過程で遅いドリフト、ショット毎に変更を指すビームが危険にさらす自由電子レーザー パルス エネルギー データを正規化するときビームをクリップすることができます任意の開口部。
    3. ガスのジェット機および分光計のすべての 3 つの空間次元に自由電子レーザー フォーカスと光学レーザーのフォーカスの位置を基準の位置を最適化します。に応じてセットアップの詳細については、これは真空チャンバーを移動することによって、個々 のコンポーネントを移動するまたは FEL と光レーザー光の焦点位置を移動することによって行われる場合があります。
  2. フィードバック システムおよび診断ツールが適切に機能
    必要なフィードバック システムと診断監視ツールが有効である、正しく機能していることを確認、-必要に応じて-自由電子レーザー マシンのデータ ストリームのデータが記録されています。フラッシュ、光フィードバックおよび; ポンプ プローブ レーザーの安定化システムが含まれます束到着時間モニター (タンヤオ);ポンプ-プローブ レーザー ストリーク カメラ。仮想フォーカス カメラ。これらのシステムの詳細な説明、入門の手引きを参照してください。
    注: それは強く可能な問題、例えば気づくためにポンプ ・ プローブ実験を実行している間これらのシステムを継続的に監視することをお勧めします。、レーザー同期システムをできるだけ早く。

2、間 FEL 重なる空間ビームとレーザー光の構築

  1. Ce:YAG ビーム相互作用領域の画面の表示で視覚的に梁の重複
    1. イオン ・電子) 検出器とイオン分析計の電極に高電圧は続行する前にオフになっていることを確認します。
    2. 自由電子レーザー パルス エネルギーとフィルターと 1% 未満にビームラインに設置アッテネータを使用して光の力を減らす集束ビームによって表示画面の損傷を避けるために伝送します。
    3. ビーム相互作用領域に画面を表示するを挿入します。ビーム スポットを検出することができる場合は、その強度がやや向上します。
      注: 実験的幾何学によって (完全に共線性または近く共、すなわち、光レーザーを用いた自由電子レーザーのビーム、例えばに対して小さな角度で揃え。 incoupling、ドリルの穴にあまりにも多くの力を失うことを避けるために。ミラー) も、数ミリの微小変位することができます近くコリニア ジオメトリの場合梁のずれを引き起こすので、ウィザードで作成相互作用領域の位置を正確に画面がある重要なことです。
    4. レーザー シャッターを閉じることによって光のレーザーをブロックし、カメラ データ集録ソフトウェアを使用して「利益 (率 ROI) の領域」を作成することによって表示画面の自由電子レーザー ビーム位置をマークします。
    5. FEL シャッターを閉じることによって自由電子レーザー ビームをブロックし、表示画面に光ビームの位置を確認します。光のレーザー用ミラー適切なステアリングを使用して、自由電子レーザー スポットのマークの位置と重複するレーザービームを合わせられます。
      注: ほとんどのポンプ ・ プローブ実験プローブ光のスポットのサイズより大きいポンプ光のスポット サイズを使用する便利です。これ、実験ターゲットは、ポンプ光パルスによって励起されていますない空間の領域をプローブの確率を最小限に抑える小型堅牢のポインティング変動良い空間の重複を見つけることが容易になります。一般に、スポット プローブより大きいポンプはまたより均一な励起を保証します。
    6. 2.1.4 と 2.1.5 重複を微調整して、オーバー ラップが安定したことを確認する手順を繰り返します。
    7. ビームは、画面の表示を削除します。その後、検出器と装置の高電圧を入れます。
      注: 相互作用領域の表示画面上の梁の視覚的重複はすなわち、満足な結果を与えない場合 2 色信号は、3.2、ビーム間の空間的重なりのステップに記載されている以降の手順で見つからない場合は、。定義されるかもしれませんイオン信号をより正確に使用してイメージ分光器イオンが利用可能な場合手順 2.2 で説明しました。この手順は、ジョンソンら201019に説明されています。
  2. イオンの飛行時間信号とイオンの画像を使用して梁を重複
    1. 検出器平面で重複します。
      1. 「空間イメージング モード」、すなわち分光器電圧を設定します。 イオン検出器のイメージが相互作用領域の直接、拡大画像。このモードの電圧設定は、特定の装置に依存します。
      2. 断片化されていない分子親イオンに対応するイオン イメージまたは原子のターゲットを使用して FEL と光だけでも、例えばによって生成されるイオンの荷電状態を選択します。H2O+イオン真空チャンバー内の残留ガスから。必要な場合は、このような電荷の状態を生成する自由電子レーザーやレーザーの強度を減らします。ビーム速度可能性があります手順を偽るために超音速ビームによって導入されるターゲットを使用しないでください。
      3. レーザー シャッターを使用して光のレーザーをブロックし、自由電子レーザー照射によるイオンのヒット位置をマークします。
      4. FEL シャッターを用いた自由電子レーザー ビームをブロックし、光レーザーによって生成される同じイオン種の位置を記録します。光のレーザー用ミラー適切なステアリングを使用して、イオンを打つ位置重複として自由電子レーザー照射によるイオンのマークの位置と可能な限りまでレーザー光を合わせられます。
      5. ビーム伝搬方向に沿って 2 つのビームの焦点を重複するためにレーザーの焦点は、分析計の中心までレーザーの集光レンズを移動します。
      6. 2.2.1.3 と 2.2.1.4 重複を微調整して、オーバー ラップが安定したことを確認する手順を繰り返します。
    2. 飛行時間方向に重なる
      1. 「飛行時間モード」、すなわち分析計を動作。 イオンの検出タイミング信号のことなど (すなわち。、イオン飛行時間スペクトル) 高速オシロ スコープまたはデジタイザーは、FEL マスター トリガーによってトリガーされた監視することができます.飛行時間が分光軸に沿って開始位置に敏感になるようにワイリー マクラーレン条件で分光器を操作しません。
      2. イオン飛行時間スペクトルで識別し、2.2.1.2 で使用される同じイオンに相当するピークにズームインします。
      3. レーザー シャッターを使用して光のレーザーをブロックし、単独での自由電子レーザー ビームによって生成される飛行時間ピークの中心を正確にマークします。
      4. FEL シャッターを用いた自由電子レーザー ビームをブロックし、単独で光のレーザービームによって生成される同じ飛行時間ピークの中心を見つけます。適切なステアリングを使用して光のレーザー用ミラー、光レーザーによって生成される飛行時間ピークが自由電子レーザー照射による生産ピークのマークのセンターと完全に重なり合うレーザービームを合わせられます。
        注: これはのみ自由電子レーザー パルス光レーザー パルスの到着時間が大体お互いのナノ秒内場合に動作します。疑問がある場合にの空間的重なりの手順を行う前に 3.1 の手順で説明されている「大まかなタイミング」の手順を実行します。
      5. 2.2.2.3 と 2.2.2.4 重複を微調整して、オーバー ラップが安定したことを確認する手順を繰り返します。

3. 確立時間自由電子レーザー パルス光レーザー パルス重なり

  1. 「ラフ」のタイミング
    注: 自由電子レーザー パルス光レーザー パルス数十ピコ秒程度の精度と大まかなタイミングは短い"DC"で高速 (≥10 GHz) oscil 接続されている 9 V バッテリーに「バイアス T」に、SMA ケーブルを介して接続高速フォト ダイオードを用いたを決定することができます。loscope は、FEL マスター トリガーによってトリガーされます。通常、これはダイオードを破壊することができるので、自由電子レーザーとレーザーのビームに直接ダイオードは配置されません。代わりに、それは自由電子レーザー ビームに垂直に取り付けられている、可動メッシュがダイオードに散乱光子の少量を送信する使用されます。
    1. 自由電子レーザー パルス エネルギーとフィルターと散乱光からの信号がフォト ダイオードを破壊しないポイントにビームラインに設置のアッテネータを使用して光の力を減らします。安全な開始ポイントが通常 1% の透過率 (すなわち。、99% 減衰)。
    2. ビームに散乱メッシュを挿入します。メッシュの位置を最適化し、自由電子レーザー パルス エネルギー、レーザー電源各ビームだけで明確な信号を生成することや、両方の信号が同じ高さであることのような。
    3. レーザー シャッターを使用して光のレーザーをブロックし、最高級の使用可能な時間のベース、約 100 の平均を使用してオシロ スコープの参照トレースを保存します。
    4. FEL シャッターを用いた自由電子レーザー ビームをブロックし、FEL 参照とレーザー信号から生成されるトレースを比較します。レーザー光がシフト レーザー パルス レーザー信号の発症は、FEL 信号の始まりの位置に正確になるまでの到着時刻の適切な遅延ステージを使用してください。
    5. 3.1.3 と 3.1.4 自由電子レーザーとレーザー パルスがフォト ダイオードの解像度に基づいてできるだけ時間で互いに近いことを確認する手順を繰り返します。
    6. 上記の手順の結果としてレーザー パルスは以上 1 ナノ秒によって時間に移るが場合、新しいレーザーのタイミングでステップ 2.2.2 (「飛行時間方向での重複」) を繰り返します。
  2. "Fine"のタイミング
    注: 正確な時間T0、自由電子レーザーとレーザー パルスが正確に重なる時間、は最大、または「ステップ機能」を示す 2 色 (FEL + レーザー) 信号を使用して見つけることができます-増加または減少、のようなe.g。、イオン収量のフラグメント イオンの運動エネルギー。適切な方法は、自由電子レーザーとレーザーの波長に依存する、いくつかの方法は次のとおりです。
    1. T0決定 XUV + 近赤外パルス キセノンのガスを使用して
      注: このメソッドは、800 または 400 nm のレーザー パルスと 67.5 eV で Xe (4d) イオン化しきい値を超える XUV パルスに適しています。
      1. キセノンの高吸収断面積による過剰なカウント率とイオン ・電子) detector(s) の損傷を避けるために FEL と光のレーザーを減衰します。
      2. Xe ガスをガス ジェットまたはニードル バルブを真空に漏れによるチャンバーに投入します。後者の場合、1 × 10-7と 1 x 10-6 mbar の間に圧力を調整します。
      3. イオンの飛行時間スペクトルを記録します。レーザー シャッターを使用してレーザーをブロックし、イオン化飛行時間スペクトルは単一光子プロセス、すなわちによって支配されるように自由電子レーザー パルス エネルギーを調整します Xe2 + 、3 + Xe のピークが最強の Xe 電荷状態のように、。飛行時間スペクトルと高い充電状態 (ほとんど) 欠席しています。必要に応じて、両方のピーク検出器とデータ集録システムの動的範囲内にあるような Xe 圧力を調整します。
      4. FEL シャッターを用いた FEL をブロックし、レーザーのブロックを解除します。レーザー パワーを調整して、パルス レーザー生成主 Xe+ 、Xe2 +の少量のみ。
      5. FEL のブロックを解除し、約 200 psの前にFEL レーザー パルスが到着するように、自由電子レーザーとレーザーの間のタイミングを設定 ( T0の手順で「ラフ」タイミング法から得られた近似の読書に基づいてパルス3.1). イオン飛行時間スペクトルを記録し、飛行時間スペクトルに対応するピークの面積から Xe3 + Xe2 +の比率を決定します。
      6. FEL とこのようなレーザーのレーザー パルスが約 200 ps後FEL 到着するタイミング パルス セット「ラフ」タイミング法から得られるT0に基づきます。Xe イオンの飛行時間スペクトルを記録し、Xe2 + Xe3 +の比率を決定します。自由電子レーザーとレーザーのパルス間の空間的重なりが良い、図 2に示すように、今いる 3.2.1.5 の手順でより強い Xe3 +信号で 3.2.1.5 の手順で得られた比から大幅変更されます。
      7. 3.2.1.5 および 3.2.1.6 で要求の手順で値の間に途中でレーザーのタイミングを設定します。
      8. イオンの飛行時間スペクトルを記録し、Xe2 + Xe3 +の比率を決定します。比率が 3.2.1.5 のステップの 1 つに似ている場合レーザー パルスまだ到着前にFEL パルス。比率が 3.2.1.6 で要求のステップの 1 つに似ている場合レーザー パルスまだ到着後FEL パルス。
      9. パルス レーザーは、自由電子レーザー パルス前に到着まだかどうか (すなわち、比 3.2.1.5 の手順と同様)、タイミングを設定ステップ 3.2.1.6 で要求の値と現在の値の間に半分の方法)、それ以外の場合それにステップで現在の値と値の間に半分の方法を設定。3.2.1.5)。
      10. 繰り返して 3.2.1.8 と 3.2.1.9 T0の位置を 500 fs より精度に絞り込まれています。
      11. 50 fs (または NIR と自由電子レーザーの脈拍の持続期間によってより小さい) の手順でT0のおおよその位置の周囲 1 ps +/-の地域に遅延スキャンを設定します。飛行時間スペクトルを記録し、Xe2 + Xe3 +すべてのステップのための比率を決定します。信号の「ステップ機能」のセンターは T0の正確な位置を得られます。
    2. CH3を用いた XUV + 近赤外または紫外パルス T0決定私
      注: このメソッドは 57 〜 ev I(4d) イオン化しきい値 XUV パルスおよび 266 nm や 800 nm レーザー適した (400 nm は未検証、おそらくも可能)。CF3を使用して実行することができますではなく CH3私私。
      1. 過剰な計数器の損傷を避けるために FEL と光のレーザーを減衰します。
      2. CH3を紹介私ガス ジェットまたはニードル バルブを真空に漏れによるチャンバーへの分子。後者の場合、1 × 10-7と 1 x 10-6 mbar の間に圧力を調整します。私のサンプル、チャンネル3の蒸気圧が分子ビームを形成するために不足している場合は、キャリアガスとして彼を使用します。
      3. イオンの飛行時間スペクトルを記録します。レーザー シャッターを使用してレーザーをブロックし、高いパルス エネルギーに自由電子レーザー パルス エネルギーを調整します。
      4. FEL シャッターを用いた FEL をブロックします。266 nm パルスを使用して、レーザー パワーを調整して、レーザー生成 CH3私は+イオンと少量の私+と CH3+。800 nm のパルスを使用する場合は、レーザー私+、私+と CH3+イオン チャンネル3のかなりの量を生成するが、少数だけより多価イオン レーザー パワーを調整します。
      5. レーザー パルス到着 ( T0 3.1 の手順で「ラフ」タイミング法から得られた近似の読書に基づいて) 自由電子レーザー パルスの前に約 200 ps など、自由電子レーザーとレーザーの間のタイミングを設定します。イオンの飛行時間スペクトルを記録または、速度マップを使用して、イメージ (VMI) 分光器、イオン画像を I4 +フラグメント (600 eV、私以下の光子エネルギーの3 +フラグメントも使用できます)。単独および乗算荷電ヨウ素フラグメントに対応する飛行時間ピークが (のために彼らの大きな運動エネルギー) 広範なようにまたは、VMI の分光器を用いた分光器電圧を調整するよう I4 +イオンのイメージ検出器のほとんどをカバーしています。
        1. イオン飛行時間スペクトルに対応するピーク4 +フラグメント (と同様高いヨウ素電荷状態に対応するピーク) が狭いスパイク中 (図 3 aを参照してください)。VMI 分光計、1 つか 2 つ (分光分解能レーザー偏光の方向によって) 使用小さな明るいスポットが私の中心の近くに表示されます4 +イオンのイメージ (図 3B参照)。タイミングや空間、これらの機能が表示されない場合の重複が正しくないです。
      6. レーザー パルス到着約 200 ps T0に基づく自由電子レーザー パルスが「ラフ」タイミング法から得られるような自由電子レーザーとレーザーの間のタイミングを設定します。イオン飛行時間スペクトルまたはイオン イメージのため記録 I4 +フラグメント。TOF のピークと VMI の画像の中央に明るいこすっての真ん中にスパイクが表示されなくなります。
      7. レーザー ステップ 3.2.2.5 と 3.2.2.6 の値の間に半分の方法をタイミングを設定します。
      8. イオン飛行時間スペクトルとか4 +イオンの画像を記録し、かスパイクまたはこすってが存在するかを決定します。彼らが存在する場合レーザー パルスまだ到着前にFEL パルス。ない場合レーザー パルスまだ到着後FEL パルス。
      9. レーザー パルスは、まだ自由電子レーザー パルスの前に到着予定の場合は、ステップ 3.2.2.6、それ以外の場合の値と現在の値の間に半分の方法手順 3.2.2.5 で現在の値と値の間に半分の方法設定タイミングを設定します。
      10. 繰り返して 3.2.2.8 と 3.2.2.9 T0の位置を 500 fs より精度に絞り込まれています。
      11. 50 fs の手順でT0のおおよその位置の周囲 1 ps +/-の地域に遅延スキャンを設定します。記録飛行時間スペクトルまたはイオン イメージ私4 +すべてのステップのフラグメント。スパイクや明るいスポットの収量を遅延の関数としてプロットします。信号の「ステップ機能」の中心は 120 ~ 150 T09,10fswith 尊重の遅延。

4. 2 色信号の空間的重なりの微調整

注: 手順 2.1 および 2.2 空間的重なりを確立する手順は通常一時的な重複 (ステップ 3) を確立するための手順に従って 2 色信号を観察することができる精度が、それは多くの場合を微調整することをお勧め実際のポンプ ・ プローブ実験を開始する前にこの 2 色信号の空間的重なり。

  1. 空間的な重なりを調整、空間の重複を確認し、それにより最大限 Xe2 + Xe3 +比約 1 ps後FEL レーザー パルスが届いたらミラーを慎重に調整するためにパルスします。
  2. また、一時的な重複の手順が実行された場合 CH3、私は収率を最大限4 +断片約 1 ps前にFEL レーザー パルスが到着したときに低エネルギー成分のパルスします。
    注: 理想的には、この微調整プロシージャは繰り返されるこのような信号が見つかったら、実際のターゲット分子の 2 色信号を使用しています。

5 データ解析における到着時間ジッタ補正

注: 最良の時間分解能を達成するためにシングル ショット データは、説明したとおり、例えばSavelyev の束到着時間の監視 (BAM) またはタイミング ツールによって測定されたショット毎に到着時間の変動を補正するにはら201712。

  1. BAM データに基づいて到着時間ジッタ補正
    注: 到着時間ジッタ補正するためT0、同じプロシージャのユニークで普遍的な価値を決定するために実行されるT0の決定からデータの両方 (e.gデータの取得。ステップ 3.2)、興味の実際の実験データ。以下の説明のためにT0が Xe イオンの飛行時間のトレースを測定することによって決定されることが前提です。プロトコルは、他のケースで同等に適用できます。
    1. 関心のポンプ ・ プローブ スキャンの範囲全体のショット数の関数としてストリーク カメラ値、レーザーのタイミング ・ ジッタと BAM の値をプロットします。以上 1 ps の大きく、突然のジャンプが存在する場合、この特定のスキャン中にレーザー ロックやその他の技術的な問題の損失の徴候であるかもしれないこれ。その地域のデータのいくつかは次で説明されている補正のしづらいことがあり、破棄する必要があります。
    2. プロットに位置する bam BAM 値のヒストグラムは、手順 3.2.1.11 で行われる遅延スキャンの各ショットのため実験 (BAM 4DBC3) に閉鎖。
    3. 選んだ値分布の中心に近いし、BAM0の基準値として定義します。
    4. 遅延スキャンの各ショットの修正遅延Dnn は、ショット数を計算します。
      Dn = Pn + (BAMn -BAM0) (1)
      どこPnは遅延ステージ位置とBAMnはnの BAM 値 th を撃った。多くの肯定的なBAM 値がレーザー、自由電子レーザー パルス、すなわち間の大きい遅延を意味することに注意します。、FEL到着。
    5. 箱修正された遅延値に基づいてし、Xe2 + Xe3 +比、 T0 の修正位置を生成するステップ関数の位置を決定する適切な時間で単発飛行時間トレースを並べ替える.
    6. BAM 0 5.1.4 の手順と同じ値を使用して)、式 (1) を使用して興味の実際のポンプ ・ プローブ データ遅延スキャンの各ショットのための修正された遅延Dnを計算します。

Representative Results

FEL と光レーザー パルスは、イオン分析計、時間の重複、すなわち相互作用領域の空間的オーバー ラップがある場合、 T0、自由電子レーザーとレーザー パルスが同時に、正確に到着遅延の値を見つけることができます。フェルと近赤外パルス間の遅延時間を変化させることにより Xe2 + Xe3 +イオンの比率を分析することによって生成、遅滞の関数としてセクション 3.2.1 で上記のようです。近赤外パルスは、後自由電子レーザー パルス (これ以上 67.5 eV の光子エネルギーを持っている必要があります) に到着したら、3 +イオン収量が増加の後の電離による Xe 励起、オージェ崩壊中に作成される準安定の Xe2 +イオンプロセス図 2に示すように、次の Xe (4d) 内殻イオン化18。Xe2 + Xe3 +の比率をプロット イオン収量遅延の関数はこのようにT0の正確な値を抽出する合うことができるステップ関数を得られるようにします。

自由電子レーザーとレーザーのパルス間隔を変化させることにより、イオン化飛行時間トレースまたはなど、高度に荷電ヨウ素イオンのイオン運動量画像を分析することによって、同様のステップ機能を取得ことができます3 +または私4 +、CH3 のイオン化の作成私は、3.2.2 の手順で前述)。この場合、低エネルギーの貢献は飛行時間スペクトルの高度に荷電ヨウ素ピークの中心でピーク、または図 3に示すように対応する勢いのイメージの中心に明るいスポットとして表示されます。ときに作成されて低エネルギー イオン CH3私分子はまずレーザー パルスによる解離し、イオン フラグメントは自由電子レーザー パルス9,10後イオン化し。このメソッド使用できます近赤外または紫外パルス ポンプ ・ プローブ実験に使用する場合自由電子レーザーの光子エネルギーは CH3ヨウ素 4d内殻イオン化しきい値である 57 eV よりも高い限り、私。

レーザー パルスに関して自由電子レーザー パルスの相対的な到着時間にジッタの正しい束到着時間の監視 (BAM)、図 4に示すによって記録されるショットによるデータ使用できます記録されたポンプ-プローブ データを並べ替えるには上記のセクション 5 で説明後の分析。これ通常時間分解能とポンプ プローブ データの全体的な品質はかなり改善、Savelyevら201712の詳細については、図 4に示すように。

Figure 1
図 1: 実験的セットアップします。気相分子の UV ポンプ XUV プローブ実験の実験のセットアップのスケッチ。紫外線 (266 nm) 第 3 ベータ バリウム ホウ酸塩 (BBO) 結晶を用いた 800 nm チタニウム: サファイア (Ti:Sa) はりの高調波とプリズム コンプレッサーを使用して圧縮されたレーザー光を生成します。線上ドリル ミラーを用いた極端紫外自由電子レーザー ビームによるオーバー ラップ、超音速ガス ビーム速度の両面地図イメージング分光器22,29の中央に内側に焦点を当てた。イオンと電子の運動量分布は、CCD カメラによる MCP/蛍光体スクリーン アセンブリを用いた分光器の両端に記録されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 2
図 2: Xe イオン収量の遅延依存します。Xe イオン飛行時間スペクトル (高速デジタイザーが集録した分離 MCP 信号) (トップ、黒トレース) 前に 1 μ s 到着 83 eV の光子のエネルギーと、近赤外レーザーのパルス (下、赤いトレース) 後自由電子レーザー パルス。Xe2 + Xe3 +比の変化が明確に表示されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 3
図 3: ヨウ素イオン収量および運動量の依存性の遅延。(A)上でズーム4 + CH3記録 (赤い線) 前に到着 UV レーザー パルスと 727 eV の光子エネルギーのイオン飛行時間スペクトルのピーク前後 (黒線) 自由電子レーザー パルス。青と緑のラインはそれぞれ、FEL と紫外レーザー パルス単独での飛行時間スペクトルを表示します。この図は、ボルら201610から変更されています。(B)イオン運動量画像私の3 +イオン チャンネル3記録 107 eV の光子のエネルギーと紫外線からレーザーの自由電子レーザー パルスの前に到着します。(C)同じ(B)が到着後自由電子レーザー パルス紫外線パルス。(B)および(C)のカラー スケールは、任意の単位でイオン収量を示しています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 4
図 4: FEL の相対的な到着時間ジッタ パルス光レーザー パルスに関して。(A)ショットによって模範的な遅延スキャン中に記録されたすべての自由電子レーザー ショット到着時間の監視 (BAM) データの束します。BAM0の基準値は、このスキャンの BAM の値の平均に設定されました。(B)イオン収量低運動エネルギーの私3 +イオン ショット-ショット到着ジッタの補正前に、difluoroiodobenzene の UV XUV ポンプ ・ プローブ実験で生産します。赤い線は、実験データに累積分布関数 (ガウスの誤差関数) の二乗を示しています。適合パラメーター σ は、ポンプ ・ プローブ実験の合計の時間分解能の指標です。(C) (B)のように、シングル ショットの画像と同じは BAM データを使用して新しい遅延ビンに依頼しました。誤差範囲は、1 つの標準偏差を表します。図 Savelyevら201712から適応。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Discussion

専門知識の高レベルを必要と自由電子レーザーを用いたポンプ ・ プローブ実験の実験装置の複雑さのため、経験と科学と詳細な打ち合わせと準備チームは非常に注意が必要に動作、自由電子レーザー、レーザー光が、エンド ステーション前に、と実験中。実際の実験をする場合に、時空の重複とすぐすべての診断情報の監視およびタイミング システムの正確な定量としてこのプロトコルで記述されているが不可欠です。

ここで説明する方法のほとんどは、効果に強く依存する光子のエネルギーに依存しているためにのみ FEL の特定の光子のエネルギーの範囲のために適当に注意してください。たとえば、フォト ダイオードに指示された散乱光を用いた「ラフ」時間重複の定量は、光子エネルギーのためによく動作するように発見された 〜 250 eV まで。高い光子エネルギーで自由電子レーザー パルスによって生成される信号は、検出が困難であるほど小さくなります。その場合、ステップ 3.1 で説明されている手順を実行するより信頼性の高い信号を生成することができる非常に近い (ミリ未満) または自由電子レーザーのビームにもオープン エンドの SMA ケーブルが見つかりました) プロトコルの。同様に、「罰金」のタイミングを決定するための最高のターゲットに記載されている手順 3.2) は光子のエネルギーに大きく依存します。XUV 65.7 eV と ~ 57 eV の光子のエネルギー (に対応するキセノンと CH34dイオン化しきい値、それぞれ)、Xe と CH3上記軟 x 線領域の自由電子レーザー パルスのプロシージャの適切なターゲットにすることを見つけたステップ 3.2 で説明します。CH3最大 2 光子エネルギーのために働く私が見つかりましたを用いた keV (上にそれはまだテストされていない)、Xe を用いた中までテストされています 250 eV。50 eV 以下の光子エネルギー、H2のプロセスを軟化ボンドは使用19をすることができます。N2のようなプロセスは光子エネルギー 400 eV の上、適した20 です。代替アプローチは、固体試料25,26,30の反射率や光電子スペクトル31,32の側のバンドの形成の変更を含みます。

最高を達成するために時間分解能が手順 5 で説明したように FEL と光レーザー パルスの到着時間ジッタの補正データ分析でショット毎に実験データをソートする必要があります。ただし、ポンプ-プローブ データと、特に、達成可能な時空間解像度の品質は実験中の FEL のパフォーマンスと提供できる自由電子レーザー パルス光レーザー パルスのパルスの持続時間に強くによって異なりますその時。ここに示す模範的なデータ、UV パルスのパルスの持続時間が 150 fs (半値幅) と推定され、自由電子レーザーのパルス持続時間は 120 fs (半値幅) 推定されました。約 90 fs (rms) ジッター補正は約 27 fs (rms) を使用した手順を減らすことができる前に総到着時間ジッタは12の合計の時間分解能の向上をここで説明したが、実験のせい、自由電子レーザーと光学レーザーの比較的長いパルス持続時間かなり小さかった。しかし、大幅に削減する、その場合ジッタ補正方式の影響でより重要になります両方することができます。たとえば、新しい光学レーザー現在インストールされて (近赤外線) のパルスの持続時間を持っているフラッシュのモードもテストされている新しい FEL の操作は、いくつかのフェムトのパルスの持続時間と自由電子レーザー パルスを生成したりもしながら、15 fs 以下以下に。これらの開発はすぐにフェムトのわずか数十の全体的な時間分解能を持つ自由電子レーザーとパルス光レーザーを組み合わせたポンプ ・ プローブ実験を有効になります。

短く、強烈な紫外線と x 線パルス FELs プロデュースの可用性の向上は、近赤外/紫外 - 数を生み出している XUV ポンプ ・ プローブ実験などここで説明、高調波発生と同様のポンプ ・ プローブ実験を実行することも(HHG)33,34,35 をソースします。自由電子レーザーを用いた実験の主な制限は、根本的に限られた FEL 光レーザーと同期することによって精度が達成可能な時間分解能を相対的なポンプのタイミングとプローブのパルスを測定することができます。極端紫外・近赤外パルスがサブ サイクル精度で同期される本質的に、これは一般に、はるかに高い時間分解能を持つことができますしたがって、HHG ベース ポンプ ・ プローブ実験のため、これはケースではないです。自由電子レーザーを用いた実験の主な利点、他の一方がいくつか桁違いに高い光子フルエンス、例えば実験を可能にする、現在 HHG ソースができないターゲットを希釈で特に高い。軟 x 線領域での光子のエネルギー。予見可能な将来のため FELs HHG とポンプ ・ プローブ実験は、したがってまま補完し合い、両方が同じような調査に使用できる領域のいくつかの重複になります。同様に、これらの実験を実行する手順のいくつかはまた、ここで説明する方法のいくつかことができますしたがっても適用 HHG ベースのポンプ ・ プローブ実験のため。

Disclosures

著者は競争の興味を宣言しません。

Acknowledgments

エフゲニー ・ Savelyev セドリック Bomme ノラ Schirmel、Harald Redlin ステファン Düsterer Erland ミュラー Hauke Höppner スヴェン Toleikis Jost ミュラー、マリー クリスティン Czwalinna ロルフ ・ トルッシュ、トーマス Kierspel テレンス ・ マリンズ セバスチャン ボーイングトリッペル、ジョス ・ ビーゼは、著者に感謝します。ヨッヘン ・ Küpper、フェリックス ・ Brauβe、ファル Krecinic、アルノー ・ Rouzée、Piotr Rudawski、ジョンソン、カスラ Amini、アレクサンドラ ・ ラウアー、マイケル ・ バート、マーク Brouard、Lauge クリステンセン、Jan Thøgersen、ヘンリック ・ Stapelfeldt あたりノラ Berrah, マリア ・ ミュラー, Anatoli Ulmer, シモーネ ・ Techert、アルテム ルデンコ、ダニエラ Rupp、メラニー ・ シュネル、中に示すように、ここで説明した特定のデータを取得したし、分析と解釈に貢献したフラッシュの採択に参加しました。可能な実験をした、フラッシュ、科学的、技術的なチームの作業、また感謝します。D. r. 化学科学、地球科学と生命科学部門、基本的なエネルギー科学のオフィス、科学局、米国エネルギー省、グラント号からサポートを認めています。デ-FG02-86ER13491。フラッシュの実験は、ヘルムホルツの若い調査官プログラムを通じてヘルムホルツ Gemeinschaft に支えられました。我々 は、マックス ・ プランク協会開発と CFEL でマックス ・ プランク高度な研究グループ内でキャンプ エンド ステーションの初期運用資金、CAMP@FLASH のこの装置を提供することを認めます。BMBF 助成金 05K10KT2、05K13KT2、05K16KT3、FSP 302 から 05K10KTB によって資金が供給された部分的に CAMP@FLASH のインストール

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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化学問題 140 ポンプ ・ プローブ実験、フェムト秒レーザー、自由電子レーザー、ジッタ補正、側頭葉との空間的重なり、気相分子、原子、分子物理学、光化学
実験的プロトコル フェムト秒近赤外/紫外-自由電子レーザーによる XUV ポンプ ・ プローブ実験
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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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