Waiting
Login processing...

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

Chemistry

En eksperimentell protokoll for Femtosecond NIR/UV - XUV pumpe-sonden eksperimenter med fri-elektron lasere

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

Denne protokollen beskriver de viktigste trinnene for utføring og analysere pumpe-sonden eksperimenter kombinerer en femtosecond optisk laser med en fri-elektron laser for å studere lynraske fotokjemisk reaksjoner i gassfase-molekyler.

Abstract

Denne protokollen beskriver sentrale trinn i utføre og analysere femtosecond pumpe-sonden eksperimenter som kombinerer en femtosecond optisk laser med en fri-elektron laser. Dette omfatter metoder for å etablere den romlige og tidsmessige overlapping mellom optisk og fri-elektron laser pulser under eksperimentet, samt viktige aspekter av dataanalyse, som korrigeringer for ankomst tid jitter, som er nødvendige for få høy kvalitet pumpe-sonden datasett med best mulig timelige oppløsning. Disse metodene er vist for en eksemplarisk eksperimentet utføres på FLASH (fri-elektron LASer Hamburg) fri-elektron laser for å studere lynraske fotokjemi i gassfase-molekyler med hastighet kart ion bildebehandling. Men er de fleste av strategier også gjelder for lignende pumpe-sonden eksperimenter ved hjelp av andre mål eller andre eksperimentelle teknikker.

Introduction

Tilgjengeligheten av korte og intense ekstreme ultrafiolett (XUV) og X-ray pulser fra fri-elektron lasere (FELs)1,2 har åpnet nye muligheter for femtosecond pumpe-sonden eksperimenter utnytte nettstedet - og element-spesifisitet av indre-shell Foto-absorpsjon prosessen3,4,5,-6. Slike eksperimenter kan brukes, f.eksundersøke molekylære dynamikk og lade overføring prosesser i væsker7 og gassfase-molekyler8,9,10,11 , 12, og sanntids observasjoner av katalytisk reaksjoner og lynraske overflaten kjemi13,14 med en midlertidig løsning av 100 femtoseconds eller under. Hvis pumpen-sonden eksperimentet utføres ved å kombinere en synkronisert optisk femtosecond laser med FEL, nevnt som var tilfelle i alle eksemplene ovenfor, den iboende ankomsttid jitter mellom optisk laser og FEL pulser må måles på bilde-for-bilde basis og korrigert for i dataanalyse for å oppnå best mulig midlertidig løsning.

Innenfor et stort samarbeid, har flere pumpe-sonden eksperimenter kombinere optisk lasere med en fri-elektron laser nylig vært utført9,10,11,12, både på FLASH XUV FEL15 ,16 og LCLS X-ray FEL17 fasiliteter, og en eksperimentell protokoll for utføre og analysere disse eksperimentene er utviklet, som vises nedenfor. Metoden er demonstrert for en eksemplarisk eksperimentet utføres på FLASH fri-elektron laser for å studere lynraske fotokjemi i gassfase-molekyler med hastighet kart ion tenkelig11,12. Men de fleste av strategier er også gjelder for lignende pumpe-sonden eksperimenter ved hjelp av andre mål eller andre eksperimentelle teknikker og kan også tilpasses andre FEL fasiliteter. Mens noen av de individuelle trinnene presenteres her eller variasjoner av disse har allerede vært diskutert i litteratur18,19,20, gir denne protokollen en omfattende beskrivelse av de viktigste trinnene, inkludert noen som utnytter de nyeste tekniske forbedringene i synkroniseringen og i timing diagnostics, som har betydelig forbedret stabilitet og tidsmessige oppløsningen for pumpe-sonden eksperimenter12, 21.

Følgende protokollen forutsetter en pumpe-sonden slutten-stasjon, for eksempel CAMP apparatet med FLASH22, utstyrt med en ion tid-av-fly, ion momentum bilde eller kart hastighet imaging (VMI) ion spectrometer; en overstrømmende eller overlyds gass jet; og en synkronisert nær infrarød (NIR) eller ultrafiolett (UV) femtosecond laser, som pulser kan overlappe hverandre collinearly eller nær-collinearly med fri-elektron laserstrålen, som skisserte skjematisk i figur 1. Videre en passende pakke diagnostikk verktøy som en flyttbar stråle på skjermen (f.eks. en åre belagt med Ce:YAG pulver eller en tynn Ce:YAG krystall) i regionen samhandling, en rask photodiode følsomme for både FEL og laser pulser og en haug ankomsttid skjerm (BAM)23,24 eller "timing verktøyet"25,26,27 kreves, som vanligvis er integrert i pumpen-sonden endestasjon eller leveres av FEL anlegget, hvis bedt om eksperimentet. Til slutt, bilde-for-bilde jitter korreksjon forutsetter at eksperimentelle data er registrert og tilgjengelig på bilde-for-bilde basis og koblet til bilde-for-bilde målinger av haug ankomst-tid jitter ved hjelp av en unik "haug ID" eller en annen tilsvarende ordningen.

På FLASH er de spesifikke systemene som er avgjørende for pumpe-sonden eksperimenter:

  • Aktiv, all-optiske tilbakemeldinger og stabilisering av pumpe-sonden laser til master laser oscillator, som inkluderer en balansert optisk kors-korrelator som stabiliserer av pumpe-sonden laser oscillator utgang til master laser oscillator, og kryss-korrelator ("drift korrelator") å korrigere for langsom driver av laser forsterkeren forhold til oscillator21.
  • Haug ankomsttid skjermer (BAMs) som måler skudd-til-shot variasjoner i elektron haug ankomsttid i ulike posisjoner i gasspedalen forhold til master laser oscillator23,24. De kan brukes for en aktiv-feedback loop å stabilisere tidspunktet for elektronet bunter med hensyn til master laser oscillator, dermed redusere sakte driver i ankomsttid. Videre BAM ligger stengt for eksperimentet (BAM 4DBC3) kan brukes for en skudd-til-shot jitter korreksjon i dataanalyse, som er i detalj i trinn 5.1 av eksperimentelle protokollen.
  • Pumpe-sonden laser strek kameraet, som måler den relative tidsberegningen mellom pumpe-sonden laser utskrift og dipol stråling generert av elektron haug på slutten av gasspedalen før det er guidet i strålen dump28.
  • Fokusere kameraet bildene "virtuelle" laser fokus ved hjelp av delen av laserstrålen som lekker gjennom siste snu speilet bak fokusere linse for å overvåke parasitically langsom romlige driver av optisk laser.

Lignende systemer er tilgjengelig på andre FEL fasiliteter og er avgjørende for å utføre en pålitelig pumpe-sonden eksperiment.

Protocol

Advarsel: Før du starter denne fremgangsmåten, er det svært viktig å bli kjent med alle mulige farer koblet til eksperimentet. Fremgangsmåten nedenfor inkluderer klasse-IV lasere, XUV eller X-ray stråling, høyspent kilder, komprimerte gasser og kjemikalier skadelig eller giftig. Vennligst ta kontakt med alle relevante sikkerhetsdatablader (MSDS) før bruk og følg alle sikkerhetskravene mandat ved FEL og laser anlegget.

1. forberedelse

Merk: Før eksperimentet, flere valg må gjøres, f.eks., om det optimale valget av pumpen og sonde bølgelengder og intensiteter for mål av interesse og riktig type spectrometer måle nødvendig observables (se, f.eks., Fang et al. 20144 og Rudenko et al. 20155). Nedenfor disse tekniske aspekter relatert til de spesifikke prosessene og mål som skal bli studert diskuteres ikke, og det antas at riktig strålen parameterne for FEL og optisk laser for planlagte eksperimentet har blitt bestemt og sette opp og som en egnet ion spectrometer er installert og operativ.

  1. Justering og peker stabiliteten i FEL og laser bjelker
    1. I begynnelsen av eksperimentet, overvåke bilde-for-bilde og langsiktig peker stabiliteten på både FEL og optisk laserstråler på flyttbare strålen skjermen i regionen samhandling og forbedre stabiliteten av laser oppsettet og FEL lasing prosessen , om nødvendig.
      Merk: For å utføre en pålitelig pumpe-sonden eksperimentet, er det avgjørende at både FEL og optisk laserstråler optimalt justeres gjennom hele beamline/strålen banen og at peker ustabilitet av både bjelker er mindre enn sine størrelsen i fokus. Størrelsene fokusert optiske laser og FEL bjelker er vanligvis på noen få titalls mikrometer, så den romlig oppløsningen på bjelken skjermen og optikk og kameraet som brukes til å bilde dette skjermbildet (f.eks. en langdistanse mikroer takle) må være tilstrekkelig høy å nøyaktig fastslå plasseringen av både bjelker.
    2. Unngå eller minimere alle klipping av FEL strålen mellom eksperimentet og plasseringen der FEL puls energien måles ved å midtstille bjelken på alle transport speil og åpninger i beamline. Noen åpninger som kan bjelken når strålen peker endringer på bilde-for-bilde basis eller langsom driver i løpet av en forsinkelse skanning kan kompromittere muligheten til å normalisere dataene på FEL puls energi.
    3. Optimalisere plasseringen av gass jet og spectrometer med hensyn til plasseringen av FEL fokus og fokus for optisk laser i alle tre romlige dimensjoner. Avhengig av hvilke detaljer av oppsettet, kan dette gjøres ved å flytte vakuum kammeret eller ved å flytte individuelle komponenter og/eller flytte fokus til FEL og optisk laserstrålen.
  2. Riktig funksjon av tilbakemeldinger systemer og diagnose verktøy
    Kontroller at alle nødvendige Levels og diagnostikk og overvåking verktøy er aktivert, fungerer riktig, og -der det er nødvendig-at data registreres i FEL maskin datastrømmen. På FLASH inkluderer disse alle-optisk tilbakekobling og stabilisering av pumpe-sonden laser; haug ankomsttid skjermer (BAMs); pumpe-sonden laser strek kameraet. og det virtuelle kameraet. Se introduksjonen for en mer detaljert beskrivelse av disse systemene.
    Merk: Det anbefales sterkt å kontinuerlig overvåke disse systemene ved utføring av pumpe-sonden eksperimentet for å være oppmerksom på mulige problemer, f.eks., med laser synkronisering system, så raskt som mulig.

2. opprette romlige overlapping mellom the FEL stråle og optisk laserstrålen

  1. Overlappende bjelker visuelt på en Ce:YAG stråle ser skjermen i regionen interaksjon
    1. Kontroller at ion (og elektron) detektoren og høy spenning på ion spectrometer elektrodene er slått av før du fortsetter.
    2. Redusere FEL puls energi og kraft av optisk laser ved hjelp av filtre og attenuators installert i beamline til mindre enn 1% overføring for å unngå skade på skjermen av fokusert bjelker.
    3. Sett inn strålen ser skjermen i regionen interaksjon. Hvis du ikke klarer å oppdage strålen flekker, litt øke deres intensiteter.
      Merk: avhengig av eksperimentelle geometri (helt kollineare eller nær-kollineare, dvs., med optisk laserstrålen justert i en liten vinkel med hensyn til FEL strålen, f.eks. å unngå å miste for mye makt i hullet i den boret incoupling speil), kan det være avgjørende at skjermen ligger nøyaktig ved samhandling regionen, siden selv en liten forskyvning av noen millimeter kan forårsake en forskyvning av bjelkene i nær-kollineare geometri.
    4. Blokkere optisk laser ved å lukke lukkeren laser og markere posisjonen til FEL bjelken på skjermen ved å opprette et «område av interesse (ROI)» med den kamera Kjøp programvaren.
    5. Blokkere FEL strålen lukke FEL lukkeren og Kontroller plasseringen av optisk laserstrålen på skjermen. Bruke riktig styringen speil for optisk laser, justere laserstrålen overlapper med merkede plasseringen av FEL stedet.
      Merk: For de fleste pumpe-sonden eksperimenter er det gunstig å bruke en størrelsen på pumpen strålen som er større enn størrelsen på sonde strålen. Dette forenkler finne gode romlige overlapping og gjør eksperimentet mer robust til små peker svingninger, således minimere sannsynligheten for undersøkelser en region plass hvor målet ikke har blitt opphisset av pumpen pulsen. Generelt, sikrer en større pumpe enn sonde spot også mer homogen eksitasjon.
    6. Gjenta trinn 2.1.4 og 2.1.5 å finjustere overlappingen og kontrollere at overlappingen er stabil.
    7. Fjerne strålen skjermen. Deretter aktivere detektorer og spectrometer høye spenninger.
      Merk: Hvis de visuelle overlappende av lyset på skjermen i regionen interaksjon ikke gir tilfredsstillende resultater, dvs. Hvis en tofarget signal ikke finnes i de påfølgende trinnene beskrevet i trinn 3.2, romlig overlappingen mellom bjelker kan defineres mer presist ved hjelp av ion signalet, som beskrevet i trinn 2.2, hvis det finnes et ion imaging spectrometer. Denne fremgangsmåten er også beskrevet i Johnsson et al. 201019.
  2. Overlappende bjelker ion tid-av-flight signalet og ion bildene
    1. Overlapping i detektor flyet
      1. Angi spectrometer spenninger til "romlig tenkelig modus", dvs., slik at ion detektor bildet er en direkte, forstørret bilde av regionen interaksjon. Spenningen innstillingene for denne modusen, avhenger av den bestemte spectrometer.
      2. Velg ion bildet tilsvarer et ikke-fragmentert molekylær overordnede ion eller bruke et Atom mål og velge en ionisk anklagen tilstanden som produseres av både FEL og optisk laser alene, f.eks. H2O+ ioner fra gjenværende gassen inne i vakuum kammeret. Eventuelt redusere FEL eller laser intensiteten for å produsere slik avgift tilstand. Unngå å bruke et mål som ble introdusert av en overlyds bjelke, siden strålen hastigheten kan forfalske prosedyren.
      3. Blokkere optisk laseren bruker laser lukkeren og traff plassering av ioner som produseres av FEL strålen.
      4. Blokkere FEL strålen bruker FEL lukkeren og fortegnelse posisjonen av samme ion Art produsert av optisk laserstrålen. Bruke riktig styringen speil for optisk laser, justere laserstrålen til ion treffer posisjoner overlapping som mulig med merkede plasseringen av ioner som produseres av FEL strålen.
      5. For å overlappe på bildet av to bjelkene strålen forplantning retning, flytter du fokus linsen av laser til laser fokus er sentrert i spectrometer.
      6. Gjenta 2.2.1.3 og 2.2.1.4 til å finjustere overlappingen og kontrollere at overlappingen er stabil.
    2. Overlappe i tid-av-fly retning
      1. Operere spectrometer i en "time of flight mode", dvs., slik at ion oppdagelsen tidspunktet signal (dvs., ion tid-av-flight spekteret) kan måles på en rask oscilloskop eller digitaliseringsenhet, som utløses av FEL master utløseren . Unngå opererer spectrometer Wiley McLaren forhold slik at tiden for flygningen er følsom for startposisjonen langs spectrometer aksen.
      2. I ion tid-av-flight spekteret, identifisere og zoome inn på toppen tilsvarer den samme ion brukes i 2.2.1.2.
      3. Blokkere optisk laseren bruker laser lukkeren og nøyaktig merke på midten av tid-av-flight toppen produsert av FEL strålen alene.
      4. Blokkere FEL strålen bruker FEL lukkeren og finne midt på samme tid-av-flight toppen produsert av optisk laserstrålen alene. Bruke riktig styringen speil for optisk laser, justere laserstrålen til tid-av-flight toppen produsert av optisk laserstrålen overlapper perfekt merket midt i toppen produsert av FEL strålen.
        Merk: Denne bare arbeider hvis ankomst tider på optisk laser pulser og FEL pulser ligger omtrent et nanosekund av hverandre. Hvis du er i tvil, kan du følge "grov beregner" trinnene beskrevet i trinn 3.1 før du gjør den romlige overlapping prosedyren.
      5. Gjenta 2.2.2.3 og 2.2.2.4 til å finjustere overlappingen og kontrollere at overlappingen er stabil.

3. etablere timelige overlappingen mellom FEL pulser og optisk Laser pulser

  1. "Grove" tidspunktet
    Merk: Grov timingen mellom FEL pulser og optisk laser pulser med en nøyaktighet på noen titalls picoseconds kan bestemmes ved hjelp av en rask photodiode koblet, via en SMA kabel, en "bias T" med 9 V batteri koblet "DC i" og en rask (≥10 GHz) oscil loscope, som utløses av FEL master utløseren. Diode plasseres vanligvis ikke direkte i FEL og laser bjelker, siden dette kan ødelegge diode. I stedet er det installert vinkelrett FEL strålen, og en bevegelig mesh er brukt til å sende en liten mengde spredte fotoner til dioden.
    1. Redusere FEL puls energi og kraft av optisk laser ved hjelp av filtre og attenuators installert i beamline til punktet der signalet fra spredte lys ikke vil ødelegge photodiode. Sikker utgangspunkt er vanligvis overføring verdien 1% (dvs., 99% demping).
    2. Spredning mesh inn strålen. Optimalisere plasseringen av mesh og FEL puls energi og laser makt slik at hver bjelke alene gir et klart signal, og at både signaler har samme høyde.
    3. Blokkere optisk laseren bruker laser lukkeren og den fineste tid basen tilgjengelig, lagre referanse spor på oscilloskop bruker 100 gjennomsnitt.
    4. Blokkere FEL strålen bruker FEL lukkeren og sammenligne det resulterende sporet fra laser signalet med FEL referanse. Bruke riktig forsinkelse scenen for optisk laser, Skift ankomsttid laser pulsen til utbruddet av laser signalet er nettopp ved utbruddet av FEL signalet.
    5. Gjenta trinn 3.1.3 og 3.1.4 bekrefte at FEL og laser pulser er så nær hverandre som mulig grunnlag av oppløsningen av photodiode.
    6. Hvis, som et resultat av det over fremgangsmåten, laser pulsen ble flyttet i tid av mer enn 1 nanosekund, Gjenta trinn 2.2.2 ("overlapp i tid-av-fly retning») med den nye laser timingen.
  2. "Fine" tidspunktet
    Merk: Den nøyaktige tidenT0, når FEL og laser pulser er nøyaktig overlappet i tid, kan bli funnet ved hjelp av en tofarget (FEL + laser) signal som viser maksimalt eller en "step-funksjonen"-som en økning eller reduksjone.g., i ion avkastning eller kinetiske energien til et gitt ioniske fragment. Som denne metoden avhenger FEL og laser bølgelengdene, er flere metoder beskrevet nedenfor.
    1. T 0 besluttsomhet for XUV + NIR pulser med xenon gass
      Merk: Denne metoden er egnet for 800 eller 400-nm laser pulser og XUV pulser over Xe (4d) ionisering sperregrensen på 67.5 eV.
      1. Dempe FEL og optisk laser for å unngå skade på ion (og elektron) detector(s) med en overdreven antall rate på grunn av høye absorpsjon tverrsnitt av xenon.
      2. Innføre Xe gass i kammeret enten gjennom gass jet eller lekker det i vakuum gjennom spindelen. I sistnevnte tilfelle kan du justere trykket mellom 1 x 10-7 og 1 x 10-6 mbar.
      3. Registrere ion tid-av-flight spekteret. Blokkere laseren bruker laser lukkeren og justere FEL puls energi slik at ion tid-av-flight spekteret er dominert av enkelt-fotonet prosesser, dvs., slik at Xe2 + og Xe3 + toppene er de sterkeste Xe kostnad landene i time-av-flight spectrum og høyere kostnader stater er (nesten) fraværende. Eventuelt justere Xe trykket slik at begge toppene er godt innenfor dynamikkområdet detektoren og oppkjøp datasystemet.
      4. Blokkere FEL bruker FEL lukkeren og oppheve laser. Justere laser makt slik at laser pulser gir mest Xe+ og bare en liten mengde av Xe2 +.
      5. Oppheve FEL og angi tidsberegning mellom FEL og laser slik at laser pulser kommer ca 200 ps før FEL pulser (basert på omtrentlig lesing T0 fra "grove" beregner metoden beskrevet i trinn 3.1). registrere ion tid-av-flight spekteret og bestemme forholdet mellom Xe2 + til Xe3 + fra området tilsvarende toppene i time of flight spektrum.
      6. Sett timingen mellom FEL og laser slik at laser pulser kommer ca 200 ps etter FEL pulser basert på T0 fra "grove" beregner metoden. Registrere Xe ion tid-av-flight spekteret og bestemme forholdet mellom Xe2 + til Xe3 +. Hvis romlige overlappingen mellom FEL og laser pulser er god, endres betydelig på forholdet fikk i trinn 3.2.1.5, med Xe3 + signalet nå blir sterkere enn i trinn 3.2.1.5, som vist i figur 2.
      7. Sett laser timing halvveis mellom verdiene i trinn 3.2.1.5 og 3.2.1.6.
      8. Registrere ion tid-av-flight spekteret og bestemme forholdet mellom Xe2 + til Xe3 +. Hvis forholdet er lik den i trinn 3.2.1.5, laser pulser fremdeles kommer før FEL pulser. Hvis forholdet er lik den i trinn 3.2.1.6, laser pulser fremdeles kommer etter FEL pulser.
      9. Hvis laser pulser fortsatt ankommer før FEL pulser (dvs., forholdet lik trinn 3.2.1.5), sett timing halvveis mellom den gjeldende verdien og verdien i trinn 3.2.1.6), ellers setter den halvveis mellom den gjeldende verdien og verdien i trinn 3.2.1.5).
      10. Gjenta 3.2.1.8 og 3.2.1.9 til plasseringen av T0 vært snevret ned med en nøyaktighet på bedre enn 500 fs.
      11. Angi en forsinkelse skanning over en region av +/-1 ps rundt cirkaposisjon T 0 i trinn av 50 fs (eller mindre, avhengig av NIR og FEL puls). Registrere tid-av-flight spekteret og bestemme forholdet mellom Xe2 + til Xe3 + for hvert trinn. Midten av "step-funksjonen" i signalet vil gi nøyaktige plassering T0.
    2. T0 bestemmelse for XUV + NIR eller UV pulser med CH3jeg
      Merk: Denne metoden er egnet for XUV pulser over I(4d) ionization sperregrensen på ~ 57 eV og for enten 266-nm eller 800-nm laser pulser (400 nm er testet, men sannsynligvis også mulig). Det kan også utføres med CF3jeg i stedet for lm3jeg.
      1. Dempe FEL og optisk laser for å unngå skade detektoren med en overdreven antall rate.
      2. Introdusere CH3jeg molekyler i kammeret enten gjennom gass jet eller lekker det i vakuum gjennom spindelen. I sistnevnte tilfelle kan du justere trykket mellom 1 x 10-7 og 1 x 10-6 mbar. Hvis Damptrykk CH3jeg prøve ikke er tilstrekkelig til å danne en molekylær bjelke, bruk han som en transportør gass.
      3. Registrere ion tid-av-flight spekteret. Blokkere laseren bruker laser lukkeren og justere FEL puls energien til høyeste tilgjengelige puls energi.
      4. Blokkere FEL bruker FEL lukkeren. Når du bruker 266-nm pulser, justere laser makt slik at laseren produserer CH3jeg+ ioner og en liten mengde jeg+ og CH3+. Når du bruker 800-nm pulser, justere laser makt slik at laseren produserer en betydelig mengde CH3jeg+, I+og CH3+ ioner, men bare få mer høyspent ioner.
      5. Angi tidspunktet mellom FEL og laser slik at laser pulser kommer ca 200 ps før FEL pulser (basert på omtrentlig lesing T0 fra "grove" beregner metoden beskrevet i trinn 3.1). Registrere ion tid-av-flight spekteret eller, når du bruker kart hastighet imaging (VMI) spektrometer, ion bildet for I4 + fragmentere (for Foton energier under 600 eV, I3 + fragment kan også brukes). Justere spectrometer spenninger slik at tid-av-flight toppene tilsvarer enkeltvis og Multipliser belastes JOD fragmenter er bred (på grunn av deres store kinetisk energi), eller når du bruker en VMI spektrometer, slik at I4 + ion bilde dekker det meste av detektoren.
        1. I ion tid-av-flight spektrum, toppen tilsvarer I4 + fragment (samt toppene tilsvarer høyere jod kostnad stater) vil har en smal spiker i midten (se figur 3A). Når du bruker en VMI spektrometer, en eller to (avhengig av spectrometer oppløsningen og retning av laser polarisering) små lyspunkter vises nær midten av I4 + ion bilde (se figur 3B). Hvis disse funksjonene ikke vises, enten timing eller romlige overlapping er ikke riktige.
      6. Angi tidspunktet mellom FEL og laser slik at laser pulser kommer ca 200 ps etter FEL pulser basert på T0 innhentet fra "grove" beregner metoden. Registrer ion tid-av-flight spekteret ion bildet I4 + fragment. Topp i TOF toppene og den lyse spot(s) i midten av VMI bildene forsvinner.
      7. Angi laser timing halvveis mellom verdiene i trinn 3.2.2.5 og 3.2.2.6.
      8. Registrere ion tid-av-flight spekteret eller I4 + ion bilde og avgjøre hvis toppene eller spot(s) finnes eller ikke. Hvis de finnes, laser pulser fremdeles kommer før FEL pulser. Hvis de ikke, laser pulser fremdeles kommer etter FEL pulser.
      9. Hvis laser pulser fortsatt ankommer før FEL pulser, sett timing halvveis mellom den gjeldende verdien og verdien i trinn 3.2.2.6, ellers setter den halvveis mellom den gjeldende verdien og verdien i trinn 3.2.2.5.
      10. Gjenta 3.2.2.8 og 3.2.2.9 til plasseringen av T0 vært snevret ned med en nøyaktighet på bedre enn 500 fs.
      11. Angi en forsinkelse skanning over en region av +/-1 ps rundt cirkaposisjon T 0 i trinn på 50 fs. Registrer tid-av-flight spekteret ion bildet I4 + fragment for hvert trinn. Tegne inn avkastningen av spike eller lyspunkter som en funksjon av forsinkelse. Midten av "step-funksjonen" i signalet er en forsinkelse på ~ 120-150 fswith respekt T09,10.

4. finjustering romlige overlappingen på et tofarget Signal

Merk: Mens prosedyren for å etablere romlige overlappingen beskrevet i trinnene 2.1 og 2.2 er vanligvis presise nok kunne observere tofarget signalet beskrevet i fremgangsmåten for å opprette timelige overlappingen (trinn 3), det anbefales ofte å finjustere romlig overlappingen tofarget signalet før du starter selve pumpen-sonden eksperimentet.

  1. For å finjustere romlige overlappingen, nøye Juster speilene som bestemmer romlige overlappingen og dermed maksimere den Xe2 + Xe3 + forhold når laser pulser kommer ca 1 ps etter FEL pulser.
  2. Alternativt, hvis timelige overlapping prosedyren utføres med CH3jeg, maksimere avkastningen av lavenergi komponenten i jeg4 + fragmenter når laser pulser kommer ca 1 ps før FEL pulser.
    Merk: Ideelt sett denne finjustering fremgangsmåten gjentas ved hjelp av en tofarget signal i faktiske mål molekylet, når slikt signal er funnet.

5. ankomsttid Jitter-korreksjon i dataanalyse

Merk: For å oppnå best mulig midlertidig løsning, single-shot dataene må korrigeres for skudd-til-shot ankomsttid svingningene målt ved haug ankomsttid skjermen (BAM) eller timing verktøyet, som beskrevet, f.eksi Savelyev et al. 201712.

  1. Ankomsttid jitter korreksjon basert på BAM data
    Merk: For å finne en unik og universell verdi for T0, samme fremgangsmåte for ankomsttid jitter korreksjon har å bli utført både på dataene som bestemmes T0 (f.eks. dataene innhentet i Trinn 3.2) og faktiske eksperimentelle data av interesse. På grunn av følgende beskrivelse antas det at T0 bestemmes ved å måle Xe ion tid-av-flight spor. Protokollen kan brukes ekvivalent i andre tilfeller.
    1. Tegne strek kameraet verdiene, laser timing jitter og BAM verdiene som en funksjon av skudd nummer for hele området av pumpe-sonden skanner rundt. Hvis det er store, plutselig hopper av mer enn 1 ps, kan dette være en indikasjon på laser lås eller et annet teknisk problem under denne bestemt skanningen. Noen av dataene i regionen kan ikke være mottakelig for korreksjon beskrevet nedenfor og må forkastes.
    2. Tomten et histogram BAM verdiene for BAM ligger stengt for eksperimentet (BAM 4DBC3) for hvert skudd av forsinkelse skanningen tatt i trinn 3.2.1.11.
    3. Velg en verdi nær midten av distribusjonen og definerer det som referanseverdi BAM0.
    4. Hvert skudd av forsinkelse skanningen, beregne korrigert forsinkelsen Dn, der n er skutt nummeret, som
      Dn = Pn + (BAMn -BAM0) (1)
      hvor Pn er forsinkelsen scenen posisjon og BAMn er BAM verdien for nth skutt. Merk at flere positive BAM verdier betyr en større forsinkelse mellom laser og FEL pulsen, dvs., FEL ankommer senere.
    5. Sortere single-shot tid-av-flight spor i egnet forsinkelse basert på deres korrigert forsinkelsesverdien og finne senterposisjonen til step-funksjonen i den Xe2 + Xe3 + forhold, som gir korrigert plasseringen av T0 .
    6. Bruker samme verdi for BAM0 som i trinn 5.1.4), beregne korrigert forsinkelse Dn hvert skudd av forsinkelse skanningen med faktiske pumpe-sonden data rundt bruker eq. (1).

Representative Results

Hvis FEL og optisk laser pulser er romlig overlappet i regionen samhandling ion-spektrometer, timelige overlapping, dvs., finner du i forsinkelsesverdien T0, der FEL og laser pulser kommer akkurat på samme tid, ved å variere forsinkelsen mellom FEL og NIR pulser og ved å analysere forholdet av Xe2 + å Xe3 + ion gi som en funksjon av forsinkelse, som forklart ovenfor i delen 3.2.1. Når NIR pulsen ankommer etter FEL pulsen (som må ha en Foton energi 67.5 eV eller høyere), opphisset Xe3 + ion avkastning er økt grunnet etter ionisering av, metastable Xe2 + ion som opprettes under Auger forfall prosessen etter Xe (4d) indre-shell ionisering18, som vist i figur 2. Plotting forholdet av Xe2 + til Xe3 + ion gi som en funksjon av forsinkelsen gir dermed en step-funksjonen, som kan romme å pakke for T0.

En lignende trinn-funksjon kan oppnås ved å variere forsinkelsen mellom FEL og laser pulser og ved å analysere ion tid-av-flight spor eller ion fart bilder av svært ladet jod ioner, som jeg3 + eller jeg4 +, opprettet i ionisering av CH3 jeg, som forklart ovenfor i trinn 3.2.2). I dette tilfellet vises en lav-energi bidrag som en ekstra peak på midten av omfattende jod toppene i time of flight spekteret eller et lyspunkt i sentrum av tilsvarende momentum bilder, som vist i Figur 3. Lav-energi ioner opprettes når CH3jeg molekyler er først atskilt av laser pulsen og ion fragmentet deretter etter ionisert av FEL puls9,10. Denne metoden kan brukes hvis NIR eller UV pulser brukes for pumpe-sonden eksperimentet, så lenge FEL Foton energi er høyere enn 57 eV, som er jod 4d indre-shell ionisering terskelen i CH3jeg.

For riktig for jitter i relativ ankomsttid FEL pulser med hensyn til laser pulser, bilde-for-bilde data registrert av haug ankomsttid skjermen (BAM), vist i Figur 4, kan brukes sortere innspilte pumpe-sonden dataene i den etter analyse, som beskrevet over i seksjon 5. Dette forbedrer vanligvis timelige oppløsningen og kvaliteten av pumpe-sonden dataene betraktelig, som vist i Figur 4 og i mer detalj, i Savelyev et al. 201712.

Figure 1
Figur 1: eksperimentelle oppsett. Skisse av eksperimentelle oppsett for en UV-pumpe XUV-sonden eksperiment på gassfase-molekyler. UV (266 nm) laserstrålen produseres som tredje harmonisk av en 800-nm Titanium: Sapphire (Ti:Sa) stråle med Beta Barium Borate (BBO) krystaller og komprimert ved hjelp av en prisme kompressor. Det er collinearly overlappet XUV FEL strålen bruker et boret speil og fokusert inne en overlyds gass bjelke i midten av en tosidig hastighet kart tenkelig spectrometer22,29. Ion og electron momentum distribusjoner registreres på motsatte ender av spectrometer bruker en MCP/fosfor skjermen samling etterfulgt av en CCD kamera. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: forsinkelsen-avhengighet av Xe ion avkastningen. XE ion tid-av-flight spektrum (avparet MCP-signal registrert av en rask digitaliseringsenhet) på 83 eV Foton energi og med NIR laser pulser ankommer 1 μs før (toppen, svart trace) og etter (nederst, røde trace) på FEL pulser. Endringen i den Xe2 + Xe3 + forholdet er klart synlig. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: forsinkelse-avhengighet av jod ion avkastning og fart. (A) zoome inn på I4 + topp i ion tid-av-flight spekteret av CH3jeg spilte på 727 eV Foton energi og med UV laser pulser ankommer før (rød linje) og etter (svart linje) i FEL pulser. Blå og grønne linjen, vise henholdsvis tid-av-flight spekteret for FEL og UV laser puls alene. Dette tallet er endret fra Boll et al. 201610. (B) Ion momentum bilde av I3 + ioner CH3jeg spilte på 107 eV Foton energi og med UV laser pulser ankommer før FEL pulser. (C) samme som (B), men med UV pulser ankommer etter FEL pulser. Fargeskala (B) og (C) viser ion avkastningen i vilkårlig enheter. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4: Relative ankomst tid jitter av FEL pulser med hensyn til de optiske laser pulser. (A) bilde-for-bilde haug ankomsttid skjerm (BAM) data for alle FEL skudd under en eksemplarisk forsinkelse skanning. Referanseverdi BAM0 ble satt til gjennomsnittet BAM verdi for denne skanningen. (B) Ion avkastning på lav kinetisk-energi jeg3 + ioner produsert i en UV-XUV pumpe-sonden eksperiment på difluoroiodobenzene før korrigering av shot-til-shot ankomst jitter. Den røde linjen viser en minste-kvadraters av en kumulativ fordeling (Gauss feil funksjon) til eksperimentelle data. Σ passe parameteren er et mål på den totale midlertidig løsningen av pumpe-sonden eksperimentet. (C) som (B) men med single-shot bildene tydd til nye forsinkelse hyllene med BAM dataene. Feilfeltene representerer ett standardavvik. Figur tilpasset fra Savelyev et al. 201712. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

På grunn av kompleksiteten av eksperimentelle oppsett, pumpe-sonden eksperimenter med fri-elektron lasere krever høy kompetanse og erfaring og trenger svært forsiktig forberedelse og detaljerte diskusjoner med den vitenskapelige team som opererer i fri-elektron laser, laser optisk og slutten-stasjonen, både før og under eksperimentet. Mens du utfører det aktuelle eksperimentet, nøyaktig bestemmelse av romlige og tidsmessige overlapping og nær overvåking av alle diagnoser og timing systemer, som beskrevet i denne protokollen, er avgjørende.

Merk at de fleste av metodene som er beskrevet her er bare gjelder for en bestemt Foton energi rekke FEL siden de er avhengige av effekter som er sterkt avhengige Foton energi. For eksempel fastsettelse av "grove" timelige overlappingen bruker spredte lys regissert en photodiode ble funnet for å fungere godt for Foton energi til ~ 250 eV. Høyere Foton energi blir signalet generert av FEL pulser så liten at den er vanskelig å oppdage. I så fall, en åpent SMA kabel som kan bringes svært nær (mindre enn en millimeter) til eller selv i FEL strålen ble funnet for å produsere et mer pålitelig signal å utføre fremgangsmåten som er beskrevet i trinn 3.1) av protokollen. Tilsvarende beste målet for å bestemme "fine" timing, beskrevet i trinn 3.2), er sterkt avhengig av Foton energi. For FEL pulser i XUV og myke X-ray regionen over 65.7 eV og ~ 57 eV Foton energi (tilsvarende 4d ionisering tersklene xenon og CH3jeg, henholdsvis), Xe og CH3jeg ble funnet for å være egnet mål for prosedyren beskrevet i trinn 3.2. Metoden med CH3jeg fant for å jobbe for Foton energi opptil 2 keV (som det ikke har ennå blitt testet), mens metoden bruker Xe er testet opp til 250 eV. For Foton energi under 50 eV, kan obligasjonen mykgjørende prosessen i H2 være brukt19. Foton energi over 400 eV er en lignende prosess i N2 også egnet20. Alternative tilnærminger involvere endringen i Reflektivitet en solid prøve25,26,30 eller dannelse av side band i photoelectron spectrum31,32.

For å oppnå best midlertidig løsning, er det nødvendig å sortere eksperimentelle data på bilde-for-bilde basis i dataanalyse å kompensere for ankomst tid jitter mellom FEL og optisk laser pulser, som beskrevet i trinn 5. Imidlertid kvaliteten av pumpe-sonden data, og spesielt oppnåelig timelige oppløsning, sterkt avhenger av ytelsen til FEL under eksperimentet og puls varigheter på optisk laser pulser og FEL pulser som kan brukes i denne perioden. For eksemplarisk data vises her, puls varighet på UV pulser ble anslått til 150 fs (FWHM) og FEL puls varigheten var anslått til 120 fs (FWHM). Selv om den totale ankomst tid-jitter av ca 90 fs (rms) før jitter-korreksjon kan bli redusert til ca 27 fs (rms) bruke fremgangsmåten beskrevet her12, resulterende forbedring av totale timelige oppløsningen til den eksperimentet ble ganske liten relativt lang puls varighetene for FEL og optisk laseren. Begge kan imidlertid bli redusert betydelig, da virkningen av jitter korreksjon ordningen vil bli mer betydningsfulle. For eksempel installeres en ny optisk laser er på FLASH, som vil ha en puls varighet (i nær-infrarøde) under 15 AS, mens nye FEL drift modus også blir testet som kan produsere FEL pulser med puls varigheter av noen femtoseconds eller nedenfor. Denne utviklingen vil snart gjøre pumpe-sonden eksperimenter kombinerer FEL og optisk laser pulser med en samlet midlertidig løsning på bare noen få titalls femtoseconds.

Mens økt tilgjengelighet av korte og intense XUV og X-ray pulser produsert av FELs har gytt en rekke NIR/UV - XUV pumpe-sonden eksperimenter som det som er beskrevet her, lignende pumpe-sonden eksperimenter kan også utføres med høy harmonisk generasjon (HHG) kilder33,34,35. Den viktigste begrensningen av FEL-baserte eksperimenter er vanligvis oppnåelig timelige oppløsning, som er fundamentalt begrenset synkroniseringen mellom FEL og optisk laser eller presisjon som relative timing mellom pumpen og sonden pulser kan måles. Dette er ikke tilfelle for en HHG-baserte pumpe-sonde eksperimentere, hvor de XUV og NIR pulser synkroniseres egentlig med sub syklus presisjon og som kan derfor generelt har en mye høyere midlertidig løsning. Hovedfordelen med FEL-baserte eksperimentene, derimot, er det flere størrelsesordener høyere Foton fluence, som gjør eksperimenter, f.eks., på fortynne mål som er ikke mulig med gjeldende HHG kilder, spesielt ved høyere Foton energi i myk X-ray regimet. I overskuelig fremtid forblir pumpe-sonden eksperimenter med FELs og HHG derfor utfyllende, med noen overlapp i regionen XUV der begge kan brukes for lignende undersøkelser. Noen av trinnene for å utføre disse eksperimentene er også like, og noen av metodene som er beskrevet her kan også derfor brukes for HHG-baserte pumpe-sonden eksperimenter.

Disclosures

Forfatterne erklærer ingen konkurrerende interesser.

Acknowledgments

Forfatterne takker Evgeny Savelyev, Cédric Bomme, Nora Schirmel, Harald Redlin, Stefan Düsterer, Erland Müller, Hauke Höppner, Sven Toleikis, Jost Müller, Marie Kristin Czwalinna, Rolf Treusch, Thomas Kierspel, Terence Mullins, Sebastian Trippel, Joss Wiese, Jochen Küpper, Felix Brauβe, Faruk Krecinic, Arnaud Rouzée, Piotr Rudawski, Per Johnsson, Kasra Amini, Alexandra Lauer, Michael Burt, merket Brouard, Lauge Christensen, Jan Thøgersen, Henrik Stapelfeldt, Nora Berrah, Maria Müller, Anatoli Ulmer, Simone Techert , Artem Rudenko Daniela Rupp og Melanie Schnell, som deltok i den FLASH beamtime der bestemte data vises og diskutert her ble kjøpt og som bidro til analyse og fortolkning. Arbeidet med vitenskapelige og tekniske team i FLASH, som har muliggjort eksperimentet, er også takknemlig anerkjent. Dr anerkjenner støtte fra kjemiske Sciences, Stas, og biovitenskap divisjon, Office for energi basalfag, Office of Science, US Department of Energy, Grant nr. DE-FG02-86ER13491. Eksperimenter i FLASH ble også støttet av Helmholtz Gemeinschaft gjennom Helmholtz unge etterforsker Program. Vi erkjenner Max Planck Society for utvikling og første driften av leiren slutten-stasjonen i Max Planck avansert studie gruppen på CFEL og for å gi dette utstyret for CAMP@FLASH. Installasjonen av CAMP@FLASH ble delvis finansiert av BMBF tilskudd 05K10KT2, 05K13KT2, 05K16KT3 og 05K10KTB fra 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Feldhaus, J., Arthur, J., Hastings, J. B. X-ray free-electron lasers. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 38, S799-S819 (2005).
  2. Pellegrini, C. The history of X-ray free electron lasers. Eur. Phys. J. H. 37, 659-708 (2012).
  3. Bostedt, C., et al. Experiments at FLASH. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A. 601, 108-122 (2009).
  4. Fang, L., et al. Probing ultrafast electronic and molecular dynamics with free-electron lasers. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 47, 124006 (2014).
  5. Rudenko, A., Rolles, D. Time-resolved studies with FELs. J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 204, 228-236 (2015).
  6. Bostedt, C., et al. Linac Coherent Light Source: The first five years. Rev. Mod. Phys. 88, 015007 (2016).
  7. Wernet, P., et al. Orbital-specific mapping of the ligand exchange dynamics of Fe(CO)5 in solution. Nature. 520, 78-81 (2015).
  8. McFarland, B. K. Ultrafast X-ray Auger probing of photoexcited molecular dynamics. Nat. Commun. 5, 4235 (2014).
  9. Erk, B., et al. Imaging charge transfer in iodomethane upon X-ray photoabsorption. Science. 345, 288-291 (2014).
  10. Boll, R., et al. Charge transfer in dissociating iodomethane and fluoromethane molecules ionized by intense femtosecond X-ray pulses. Struc. Dyn. 3, 043207 (2016).
  11. Amini, K., et al. Photodissociation of aligned CH3I and C6H3F2I molecules probed with time-resolved coulomb explosion imaging by site-selective XUV ionization. Struct. Dyn. 5, 014301 (2018).
  12. Savelyev, E., et al. Jitter-correction for IR/UV-XUV pump-probe experiments at the FLASH Free-Electron Laser. New J. Phys. 19, 043009 (2017).
  13. Dell'Angela, M., et al. Real-Time Observation of Surface Bond Breaking with an X-ray laser. Science. 339, 1302-1305 (2013).
  14. Öström, H., et al. Probing the transition state region in catalytic CO oxidation on Ru. Science. 347, 978-982 (2015).
  15. Ackermann, W., et al. Operation of a free-electron laser from the extreme ultraviolet to the water window. Nat. Photonics. 1, 336-342 (2007).
  16. Feldhaus, J. FLASH-the first soft X-ray free electron laser (FEL) user facility. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 43, 194002 (2010).
  17. Emma, P., et al. First lasing and operation of an Angstrom-wavelength free-electron laser. Nat. Photonics. 4, 641-647 (2010).
  18. Krikunova, M., et al. Time-resolved ion spectrometry on xenon with the jitter-compensated soft X-ray pulses of a free-electron laser. New J. Phys. 11, 123019 (2009).
  19. Johnsson, P., et al. Characterization of a two-color pump-probe setup at FLASH using a velocity map imaging spectrometer. Opt. Lett. 35, 4163-4165 (2010).
  20. Glownia, J. M., et al. Time-resolved pump-probe experiments at the LCLS. Opt. Express. 18, 17620-17630 (2010).
  21. Schulz, S., et al. Femtosecond all-optical synchronization of an X-ray free-electron laser. Nat. Commun. 6, 5938 (2015).
  22. Strüder, L., et al. Large-format, high-speed, X-ray pnCCDs combined with electron and ion imaging spectrometers in a multipurpose chamber for experiments at 4th generation light sources. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A. 614, 483-496 (2010).
  23. Löhl, F., et al. Electron Bunch Timing with Femtosecond Precision in a Superconducting Free-Electron Laser. Phys. Rev. Lett. 104, 144801 (2010).
  24. Czwalinna, M. K. Dissertation (PhD Thesis). , Universität Hamburg. (2012).
  25. Schorb, S., et al. X-ray-optical cross correlator for gas-phase experiments at the LCLS free-electron laser. Appl. Phys. Lett. 100, 121107 (2012).
  26. Beye, M., et al. X-ray pulse preserving single-shot optical cross-correlation method for improved experimental temporal resolution. Appl. Phys. Lett. 100, 121108 (2012).
  27. Bionta, M. R., et al. Spectral encoding method for measuring the relative arrival time between x ray/optical pulses. Rev. Sci. Instrum. 85, 083116 (2014).
  28. Redlin, H., et al. The FLASH pump-probe laser system: Setup, characterization and optical beamlines. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A. 635, S88-S93 (2011).
  29. Rolles, D., et al. Femtosecond x-ray photoelectron diffraction on gas-phase dibromobenzene molecules. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 47, 124035 (2014).
  30. Maltezopoulos, T., et al. Single-shot timing measurement of extreme-ultraviolet free-electron laser pulses. New J. Phys. 10, 033026 (2008).
  31. Meyer, M., et al. Two-color photoionization in XUV free-electron and visible laser fields. Phys. Rev. A. 74, 011401 (2006).
  32. Radcliffe, P., et al. An experiment for two-color photoionization using high intensity extreme-UV free electron and near-IR laser pulses. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 583, 516-525 (2007).
  33. Gagnon, E., et al. Soft X-ray-driven femtosecond molecular dynamics. Science. 317, 1374-1378 (2007).
  34. Wernet, P., et al. Real-time evolution of the valence electronic structure in a dissociating molecule. Phys. Rev. Lett. 103, 013001 (2009).
  35. Calegari, F., et al. Ultrafast electron dynamics in phenylalanine initiated by attosecond pulses. Science. 346, 336-339 (2014).

Tags

Kjemi problemet 140 pumpe-sonden eksperimenter Femtosecond lasere fri-elektron lasere Jitter korreksjon Temporal og romlig overlapping gassfase-molekyler Atomic og molekylære fysikk fotokjemi
En eksperimentell protokoll for Femtosecond NIR/UV - XUV pumpe-sonden eksperimenter med fri-elektron lasere
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Rolles, D., Boll, R., Erk, B.,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter