Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Экспериментальный протокол для фемтосекундных NIR/УФ - XUV насос зонд эксперименты с лазеры на свободных электронах

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

Этот протокол описывает ключевые шаги для выполнения и анализа экспериментов насос зонд, сочетая Фемтосекундный оптический лазерный с свободных электронах для того, чтобы изучать сверхбыстрые фотохимических реакций в газовой фазе молекул.

Abstract

Этот протокол описывает ключевые этапы выполнения и анализа Фемтосекундный насос зонд эксперименты, которые сочетают Фемтосекундный оптический лазерный с свободных электронах. Это включает методы для создания пространственных и временных перекрываются между оптическим и свободных электронах лазерных импульсов во время эксперимента, а также важные аспекты анализа данных, таких как исправления для прибытия время джиттера, которые необходимы для Получите наборы данных высокого качества насоса зонд с наилучшим возможным временным разрешением. Для подражания эксперимент выполняется на свободных электронах лазерный FLASH (Free электрон лазерной Гамбург) с целью изучения сверхскоростной фотохимии в газовой фазе молекул с помощью скорости карта Ион изображений демонстрируются эти методы. Однако большинство стратегий применимы также к подобные эксперименты насос зонд, с помощью других целей или другие экспериментальные методы.

Introduction

Наличие крайней ультрафиолетовой короткий и интенсивный (XUV) и рентгеновского импульсов от свободных электронах лазеры (FELs)1,2 открыло новые возможности для фемтосекундных насос зонд эксперименты, используя сайт - и элемент специфика внутренней оболочки фото поглощение процесс3,4,5,6. Такие эксперименты могут использоваться, например, для расследования молекулярной динамики и заряда передачи процессов в жидкости7 и газовой фазы молекул8,9,10,11 , 12, и для реального времени наблюдения каталитических реакций и сверхскоростной поверхности химия13,14 с временным разрешением 100 фемтосекунд или ниже. Если насос зонд эксперимент осуществляется путем объединения синхронизированные оптических фемтосекундный лазер с ГСМ, который был во всех примерах упомянутых выше, внутренние джиттера время прибытия между оптических лазерных и Оскверненного импульсов должен измеряться на основе выстрела к выстрелу и исправлениями для анализа данных для достижения наилучшего временного разрешения.

В большой совместной работы несколько экспериментов насос зонд, сочетая оптическими лазерами с свободных электронах были недавно выполненных9,10,11,12, как на FLASH XUV FEL15 ,16 и17 ССК рентгеновского Скверны и экспериментальный протокол для выполнения и анализа этих экспериментов был разработан, которая представлена в следующем. Метод показал для подражания эксперимента выступали на флеш бесплатно-электронах с целью изучения сверхскоростной фотохимии в газовой фазе молекул с помощью скорости карта Ион изображений11,12. Однако большинство стратегий, также применимы к подобные эксперименты насос зонд, с помощью других целей или других экспериментальных методов и также может быть адаптирована к другим объектам Скверны. Хотя некоторые отдельные шаги, представленные здесь, или вариации их уже обсуждались в литературе18,19,20, этот протокол обеспечивает всестороннее описание ключевых шагов, том числе воспользоваться преимуществами последних технических усовершенствований в синхронизации и время диагностики, которые значительно улучшили стабильности и временное разрешение для насоса зонд эксперименты12, 21.

Следующий протокол предполагает конец насоса зонд станции, такие лагеря инструмент флэш-22, оснащены Ион время прохождения, Ион импульса изображений или скорости карты изображений ионный спектрометр (ДМС); Эффузивные или сверхзвуковой струи газа; и синхронизированные возле ИК-области спектра (NIR) или ультрафиолетового (УФ) фемтосекундный лазер, чьи импульсов может быть дублирует collinearly или вблизи collinearly свободных электронах лазерный луч, как схематично набросал на рисунке 1. Кроме того, соответствующий комплект диагностики инструментов, таких как экран просмотра съемной балки (например. манипулятора с покрытием Ce:YAG порошок или кристалле тонкого Ce:YAG) в регионе взаимодействия, быстро фотодиод, чувствительных к Скверны и лазерных импульсов и куча время прибытия монитор (BAM)23,24 или «времени инструмент»25,,2627 являются обязательными, все из которых обычно интегрирована в конец насоса зонд станции или предоставляются Фондом Скверны, если Просьба до эксперимента. Наконец коррекция выстрела к выстрелу джиттера предполагается, что экспериментальных данных записанных и доступ на основе выстрела к выстрелу и связанных выстрела к выстрелу измерения джиттера время прибытия время кучу с помощью уникальной «кучу ID» или другой эквивалентные схемы.

В FLASH конкретных систем, которые имеют решающее значение для насоса зонд экспериментов являются:

  • Активный, все оптической обратной связи и систему стабилизации лазерного насоса зонд для мастер лазерного осциллятор, который включает сбалансированное Оптический кросс коррелятор, которая стабилизирует насоса зонд лазерного осциллятор вывода мастер лазерного осциллятор, и кросс коррелятор («дрейф коррелятора») исправить для медленно дрейфует лазер усилителя отношении осциллятор21.
  • Куча время прибытия мониторов (BAMs), которые измеряют вариации выстрел до снимка времени прибытия пучок электронов на различных позициях в ускорителе отношении мастер лазерного осциллятор23,24. Они могут быть использованы для активной обратной петли для стабилизации сроки электрона пучки отношении мастер лазерного осциллятор, тем самым уменьшая медленно дрейфует в время прибытия. Кроме того, BAM расположен закрыт для эксперимента (BAM 4DBC3) может использоваться для коррекции дрожания выстрела к выстрелу в анализе данных, который подробно на шаге 5.1 экспериментальный протокол.
  • Насос зонд лазерный полоска камеры, какие меры относительно сроков между насоса зонд лазерная выход и дипольного излучения, генерируемого пучок электронов в конце ускоритель, прежде чем он направляется в дамп луч28.
  • Фокус камеры, которая «виртуальных» лазерный фокус с помощью частью лазерного луча, которая протекает через последний поворотным зеркалом за фокусировку изображения объектив для паразитический следить за медленно пространственных сугробы оптического лазера.

Подобные системы доступны на других объектах ГСМ и имеют решающее значение для выполнения надежный насос зонд эксперимент.

Protocol

Предупреждение: Перед началом этой процедуры, очень важно ознакомиться со всех возможных опасностей, подключенных к эксперименту. Описанная ниже процедура включает в себя IV класса лазеров, XUV или рентгеновского излучения, источники высокого напряжения, сжатых газов и вредных или токсичных химических веществ. Просьба проконсультироваться все листы данных соответствующих безопасности материалов (MSDS) перед использованием и следовать всем требованиям безопасности, утвержденных Фондом Скверны и лазерные.

1. Подготовка

Примечание: Перед началом эксперимента, несколько вариантов должны быть сделаны, например., относительно оптимального выбора насоса и датчика волн и интенсивности для целевого объекта интерес и соответствующий тип спектрометра для измерения требуется наблюдаемых (см., например., Fang et al. 20144 и Руденко et al. 20155). В следующем, эти технические аспекты, касающиеся конкретных процессов и не обсуждаются цели, которые должны быть изучены, и предполагается, что были определены соответствующие луча параметры FEL и оптического лазера для запланированного эксперимента и созданы и что подходит ионный спектрометр установлен и работает.

  1. Выравнивание и указывая стабильность Скверны и лазерных пучков
    1. В начале эксперимента, контролировать выстрелом на выстрел и долгосрочной стабильности указывая Скверны и оптических лазерных лучей на съемной балки просмотра на экране в регионе взаимодействия и повысить стабильность процесса генерации Скверны и лазерной установки , если это необходимо.
      Примечание: Чтобы выполнить эксперимент надежный насос зонд, важно что Скверны и оптических лазерных лучей оптимально согласуются через весь излучение/луча и указывая нестабильности обеих лучей меньше, чем их размер пятна в центре внимания. Размеры сфокусированного лазерного оптического и Оскверненного балки настолько обычно порядка нескольких до нескольких десятков микрометров, пространственное разрешение просмотра экрана и оптике и камеры, которые используются для изображения этого экрана луча (например. большие расстояния микроскопии Коуп) должна быть достаточно высокой, чтобы точно определить положение обоих балки.
    2. Избежать или свести к минимуму любые стрижки FEL луча между эксперимент и место, где энергия импульса FEL измеряется центрирование пучка на всех транспортных зеркала и отверстия в излучение. Все отверстия, которые можно клип луч, когда луч, указывая изменения на основе выстрелом на выстрел или медленно дрейфует в ходе сканирования задержка может поставить под угрозу способность нормализовать данные на Энергия импульса Скверны.
    3. Оптимизируйте положение струи газовой и спектрометр отношении положение FEL фокус и фокус оптического излучения во всех трех пространственных измерениях. В зависимости от деталей установки это может быть сделано путем перемещения в вакуумной камере, перемещая отдельные компоненты или перемещая фокус позицию FEL и оптический лазерный луч.
  2. Надлежащего функционирования систем обратной связи, средства диагностики
    Убедитесь, что все системы необходимой обратной связи и диагностики и инструменты мониторинга включены, правильно функционирует и – при необходимости – их данные записываются в поток данных машины Скверны. В FLASH среди них все оптической обратной связи и систему стабилизации насоса зонд лазера; куча времени прибытия наблюдателей (BAMs); насос зонд лазерный полоска камеры; и фокус виртуальной камеры. Смотреть введение более подробное описание этих систем.
    Примечание: Это настоятельно рекомендуется, чтобы постоянно контролировать эти системы при выполнении эксперимента насоса зонд для того чтобы быть осведомлены о возможных проблемах, например., с лазерной системой синхронизации, как можно быстрее.

2. Создание пространственного перекрытия между FEL луча и оптический лазерный луч

  1. Перекрытия балки визуально на Ce:YAG балку, просмотр экрана в регионе взаимодействия
    1. Убедитесь, что детектор ионов (и электронов) и высокого напряжения на электроды спектрометр ионов выключены перед продолжением.
    2. Уменьшить FEL импульсов энергии и мощности оптического излучения, используя фильтры и аттенюаторы, установленных в излучение до менее чем 1% передачи для того, чтобы избежать повреждения экрана просмотра сфокусированных пучков.
    3. Вставьте луча, просмотр экрана в область взаимодействия. Если вы не можете обнаружить пятна света, слегка увеличить их интенсивности.
      Примечание: в зависимости от экспериментальных геометрии (полностью коллинеарных или вблизи коллинеарны, т.е., с оптический лазерный луч выровнены под небольшим углом относительно FEL луч, например. чтобы не потерять слишком много власти в просверленное отверстие incoupling зеркало), это может быть важным, что экран находится именно с позиции взаимодействия региона, поскольку даже небольшое смещение в несколько миллиметров могут вызвать рассогласование балок в случае вблизи коллинеарных геометрии.
    4. Блокировать оптического излучения, закрыв лазерный затвор и отметьте положение FEL пучка на проекционный экран, создавая «регион интерес (ROI)», используя программное обеспечение получения данных камеры.
    5. Блокировать FEL пучка путем закрытия затвора Скверны и проверить положение оптический лазерный луч на экране просмотра. Используя соответствующий руководящий зеркала для оптического лазера, выравнивания лазерного луча перекрываются с отмеченные позиции месте Скверны.
      Примечание: Для большинства насос зонд экспериментов, это выгодно использовать размер пятна насоса луча, что больше, чем пятно размер луча датчика. Это облегчает нахождение хорошее пространственное перекрытие и делает эксперимент более надежной малых указывая колебания, что сводит к минимуму вероятность зондирующего область пространства, где цели не были возбужденных по пульсу насоса. В общем больше насос чем зонд пятно также обеспечивает более однородной возбуждения.
    6. Повторите шаги 2.1.4 и 2.1.5 доработать перекрытие и проверить, что перекрытие является стабильным.
    7. Удаление луч, просмотр экрана. Затем включите детекторы и спектрометр высокого напряжения.
      Примечание: Если визуальные перекрытия балки на экране просмотра в регионе взаимодействия не дают удовлетворительных результатов, т.е., если сигнал два цвета не удается найти в последующие шаги, описанные в шаге 3.2, пространственное перекрытие между балками может быть определено более точно с помощью сигнала иона, как описано в шаге 2.2, при наличии воображения спектрометр Ион. Также эта процедура описана в Йонсон et al. 201019.
  2. Перекрывающиеся балок с использованием Ион время полета сигнала и изображения ионная
    1. Перекрытие в плоскости детектор
      1. Установите напряжение спектрометр для «пространственной обработки изображений режим», т.е., таким образом, что изображение Иона детектор является прямой, увеличенное изображение области взаимодействия. Параметры напряжения для этого режима зависит от конкретных спектрометр.
      2. Выберите изображение Иона, соответствующий Ион нефрагментированные молекулярной родительского или использование атомной цели и выбрать ионных заряд, который производится FEL и оптического лазера только, например. H2O+ ионов от остаточного газа внутри вакуумной камеры. При необходимости, уменьшите FEL или лазерной интенсивности производить такое состояние заряда. Избегайте использования целевой объект, который вводится сверхзвуковой луч, поскольку скорость луча может фальсифицировать процедура.
      3. Блокировать оптического излучения, используя лазерный затвор и Марк хит позиции производимые FEL пучка ионов.
      4. Блокировать FEL луч с помощью FEL затвора и записать позицию того же вида ионов, производимые оптический лазерный луч. Используя соответствующий руководящий зеркала для оптического лазера, выравнивания лазерного луча до тех пор, пока Ион хит совпадения позиций, а также возможно с отмеченные позиции производимые FEL пучка ионов.
      5. Для того, чтобы перекрывать очагов две балки вдоль направления распространения луча, переместите фокусирующей линзы лазера до тех пор, пока лазерный фокус центрируется в спектрометре.
      6. Повторите шаги 2.2.1.3 и 2.2.1.4 доработать перекрытие и проверить, что перекрытие является стабильным.
    2. Перекрытие в направлении время полета
      1. Действуют спектрометр в «режиме время рейса», т.е., таким образом, что Ион времени обнаружения сигнала (т.е., спектра время полета Ион) могут контролироваться на быстрый Осциллограф или планшета, который запускается мастер триггером Скверны . Избегайте использования спектрометр Wiley-McLaren условий таким образом, что время полета чувствителен к стартовой позиции вдоль оси спектрометр.
      2. В спектре время полета Ион определить и увеличить на пика, соответствующего же Ион, используемых в 2.2.1.2.
      3. Блокировать оптического излучения, используя лазерный затвор и точно указать центр пик время полета, производимые только луч Скверны.
      4. Блокировать FEL луч с помощью FEL затвора и найти центр же время полета пик, производимые только оптический лазерный луч. Используя соответствующий руководящий зеркала для оптического лазера, выравнивания лазерного луча до тех пор, пока пик времени полета, производимые оптический лазерный луч перекрывается прекрасно с центром заметный пик, производимые FEL луча.
        Примечание: Это работает только если время прибытия оптических лазерных импульсов и Оскверненного импульсов в течение примерно наносекундных друг друга. Если вы сомневаетесь, выполните шаг «грубый время», описанные в шаге 3.1 перед выполнением процедуры пространственного перекрытия.
      5. Повторите шаги 2.2.2.3 и 2.2.2.4 доработать перекрытие и проверить, что перекрытие является стабильным.

3. Создание временной дублирования между импульсами Скверны и оптических лазерных импульсов

  1. «Грубый» сроки
    Примечание: Грубый время между импульсами Скверны и оптических лазерных импульсов с точностью до нескольких десятков пикосекунд может определяться с помощью быстро фотодиод подключен через короткий кабель SMA, «уклоном T» с батареей 9 V подключен в «DC в» и oscil быстро (≥10 ГГц) loscope, который запускается мастер триггером Скверны. Как правило диод не находится непосредственно в Скверны и лазерные лучи, так как это может разрушить диод. Вместо этого это установлены перпендикулярно FEL луч, и подвижных сетки используется для отправки небольшое количество рассеянных фотонов на диод.
    1. Уменьшите FEL импульсов энергии и мощности оптического излучения, используя фильтры и аттенюаторы, установленных в излучение до точки, где сигнал от рассеянного света не будет уничтожать фотодиода. Безопасной отправной точкой обычно является передача значение 1% (т.е., 99% затухания).
    2. Вставьте сетки рассеяние пучка. Оптимизируйте позицию сетки FEL импульсов энергии и лазерной власти и такие что каждый луч только дает четкий сигнал и что оба сигналы имеют одинаковую высоту.
    3. Блокировать оптического излучения, используя лазерный затвор и с лучших время имеющейся базы, сохранить ссылку трассировки на осциллограф, используя около 100 средних.
    4. Блокировать FEL луч с помощью FEL затвора и сравнить результирующей трассировки от лазерного сигнала с ссылкой Скверны. Использование соответствующей задержки этап для оптического лазера, сдвиг времени прибытия лазерного импульса до наступления лазерного сигнала находится именно в позиции начала FEL сигнала.
    5. Повторите шаги 3.1.3 и 3.1.4 для проверки что Скверны и лазерных импульсов близки как друг с другом во времени как можно скорее на основе резолюции фотодиода.
    6. Если в результате вышеупомянутой процедуры, лазерного импульса была сдвинута во времени на более чем 1 наносекунды, повторите шаг 2.2.2 («перекрытия в направлении время полета») с новой лазерной сроки.
  2. «Точный»
    Примечание: Точное времяT0, когда Скверны и лазерные импульсы точно перекрывающихся во времени, можно найти с помощью двух цветные (FEL + лазер) сигнал, который проявляет максимум или функцию «шаг»-как увеличение или уменьшение,e.g., выход ионов или кинетическая энергия ионной данного фрагмента. Как соответствующий метод зависит от Оскверненного и лазерных длин волн, несколько методы описаны в следующем.
    1. T определение 0 XUV + NIR импульсов, используя газ ксенон
      Примечание: Этот метод подходит для 800 и 400 Нм лазерные импульсы и XUV импульсов за порогом Xe (4d) ионизации в 67,5 eV.
      1. Ослабление FEL и оптического лазера, чтобы избежать повреждения ионов (и электронов) извещатели с чрезмерное количество скоростью из-за высокого поглощения поперечных сечений ксенона.
      2. Ввести Xe газа в камеру через струи газовой или его утечки в вакууме через игольчатый клапан. В последнем случае отрегулируйте давление от 1 x 10-7 до 1 x 10-6 мбар.
      3. Запишите время полета спектра Ион. Блок лазера с помощью лазера затвора и отрегулировать Энергия импульса Скверны, таким образом, что Ион время полета спектра доминируют Однофотонная процессов, т.е., что Xe2 + и Xe3 + пики сильнейших Xe обязанности государств время полета спектра и более высокие состояния заряда (почти) отсутствуют. При необходимости, отрегулируйте давление Xe, таким образом, чтобы оба пики находятся также в динамический диапазон детектора и система сбора данных.
      4. Блокировать Скверны, используя FEL затвора и разблокировать лазер. Отрегулируйте мощность лазера, таким образом, что лазерные импульсы производят главным образом Xe+ и только небольшое количество Xe2 +.
      5. Разблокировать FEL и установить сроки между FEL и лазер, таким образом, что лазерные импульсы прибыть около 200 л.с. до FEL импульсов (основанный на приблизительное чтении T0 , полученные от «грубой» времени метода, описанного в шаге 3.1). записывать время полета спектра Ион и определить отношение Xe2 + Xe3 + из района соответствующего пики в спектре время полета.
      6. Установить сроки между FEL и лазер такие что лазерных импульсов прибыть около 200 л.с. после FEL импульсов на основе T0 , полученные методом «грубой» времени. Запишите время полета спектра Ион Xe и определить отношение Xe2 + Xe3 +. Если хорошо пространственного перекрытия между Скверны и лазерных импульсов, она будет меняться значительно от показателя, полученного на шаге 3.2.1.5, с Xe3 + сигнал в настоящее время сильнее, чем в шаге 3.2.1.5, как показано на рисунке 2.
      7. Установите сроки лазера на полпути между значения на шаге 3.2.1.5 и 3.2.1.6.
      8. Запишите время полета спектра Ион и определить отношение Xe2 + Xe3 +. Если соотношение похож на шаге 3.2.1.5, лазерными импульсами еще прибыть до FEL импульсов. Если соотношение похож на шаге 3.2.1.6, лазерных импульсов по-прежнему прибывают после FEL импульсов.
      9. Если лазерных импульсов по-прежнему прибывают перед FEL импульсов (т.е., соотношение аналогично шагу 3.2.1.5), установить сроки на полпути между текущее значение и значение шага 3.2.1.6), в противном случае установите его на половине пути между текущее значение и значение на шаге 3.2.1.5).
      10. Повторите 3.2.1.8 и 3.2.1.9, до тех пор, пока положение T0 был сужен с точностью лучше, чем 500 fs.
      11. Настройка задержки сканирования через регион + /-1 ПС вокруг приблизительное положение T0 в шагах 50 пс (или меньше, в зависимости от продолжительности импульса НИР и Оскверненного). Запишите время полета спектра и определить отношение Xe2 + Xe3 + для каждого шага. Центр «шаг функции» в сигнал даст точное положение T0.
    2. T0 определение XUV + NIR или УФ импульсов с помощью CH3я
      Примечание: Этот метод подходит для XUV импульсов выше порогового уровня ионизации I(4d) в ~ 57 eV и либо 266 Нм или 800-Нм лазерных импульсов (400 Нм неопробованные, но вероятно также возможно). Она также может быть выполнена с помощью CF3я вместо CH3я.
      1. Ослабление FEL и оптического лазера, чтобы избежать повреждения детектор с чрезмерное количество ставкой.
      2. Ввести CH3я молекул в камеру через струи газовой или его утечки в вакууме через игольчатый клапан. В последнем случае отрегулируйте давление от 1 x 10-7 до 1 x 10-6 мбар. Если давление паров CH3, которую я образца не является достаточным для формирования молекулярного пучка, используйте он как газ-носитель.
      3. Запишите время полета спектра Ион. Блок лазера с помощью лазера затвора и отрегулировать FEL Энергия импульса для высоких доступных импульсов энергии.
      4. Блокировать Скверны, используя FEL затвора. При использовании 266 Нм импульсов, Отрегулируйте мощность лазера, таким образом, что лазер производит CH3я+ ионов и небольшое количество я+ и CH3+. При использовании 800 Нм импульсов, Отрегулируйте мощность лазера, что лазер производит значительное количество CH3, я+, я+и CH3+ ионов, но лишь немногие более высоко заряженных ионов.
      5. Установите сроки между FEL и лазер, таким образом, что лазерные импульсы приходят около 200 л.с. до FEL импульсов (основанный на приблизительное чтение T0 , полученные от «грубой» времени метода, описанного в шаге 3.1). Запишите время полета спектра Ион или, при использовании карты скорость визуализации (ДМС) спектрометра, Ион изображение для4 + фрагмент (для энергий фотона ниже 600 eV, я3 + фрагмент также может быть использован). Отрегулируйте спектрометр напряжений, таким образом, чтобы время полета пики, соответствующие фрагменты поодиночке и умножить заряженных йода широкий (из-за их большой кинетической энергии) или, при использовании VMI-спектрометр, что I4 + ионный изображение охватывает большую часть детектора.
        1. В спектре время полета Ион, пика, соответствующего I4 + фрагмент (а также пики, соответствующие государствам заряда выше йода) будет иметь узкие Спайк в середине (см. рис. 3а). При использовании спектрометра ДМС, один или два (в зависимости от резолюции спектрометр и направление поляризации лазерного) небольшие яркие пятна будут отображаться в центре я4 + ионный изображения (см. рисунок 3B). Если эти функции не появляются, временной или пространственной перекрытия не являются правильными.
      6. Установите сроки между FEL и лазер, таким образом, что лазерные импульсы поступают около 200 л.с. После FEL импульсов, основанный на T0 полученные методом «грубой» сроки. Запись спектра время полета Ион или Ион изображение для4 + фрагмент. Спайк в середине TOF пики и ярко spot(s) в центре изображения VMI исчезнут.
      7. Установка времени на полпути между значения в шаге 3.2.2.5 и 3.2.2.6 лазер.
      8. Запись Ион спектра время полета, или я4 + ионный изображение и определить, если шипы или spot(s) присутствуют или нет. Если они присутствуют, лазерными импульсами еще прибыть до FEL импульсов. Если они не являются, лазерных импульсов по-прежнему прибывают после FEL импульсов.
      9. Если по-прежнему лазерных импульсов прибываете до FEL импульсов, установите сроки, половина пути между текущее значение и значение шага 3.2.2.6, в противном случае установите его на половине пути между текущее значение и значение в шаге 3.2.2.5.
      10. Повторите 3.2.2.8 и 3.2.2.9 до тех пор, пока положение T0 был сужен с точностью лучше, чем 500 fs.
      11. Настройка задержки сканирования через регион + /-1 ПС вокруг приблизительное положение T0 с шагом 50 fs. Запишите время полета спектра или изображение Иона за I4 + фрагмент для каждого шага. Участок доходность шипованные или яркие пятна как функция задержки. Центр «шаг функции» в сигнал находится в задержкой ~ 120-150 fswith уважения к T09,10.

4. Тонкая настройка пространственного перекрытия на двух цвет сигнал

Примечание: в то время как процедура создания пространственного перекрытия, описанных в пунктах 2.1 и 2.2 обычно достаточно точным, чтобы иметь возможность наблюдать два цвета сигнала, описанные в процедуре для создания временных накладок (шаг 3), часто рекомендуется для тонкой настройки пространственное перекрытие на этот сигнал-двухцветный перед началом фактической насос зонд эксперимент.

  1. Чтобы настроить пространственного перекрытия, тщательно регулировать зеркала, которые определяют пространственное перекрытие и тем самым увеличить Xe2 + Xe3 + соотношение когда лазерные импульсы поступают примерно 1 л.с. после FEL импульсов.
  2. Кроме того если временные перекрытия процедура выполняется с CH3, максимальной урожайности низкой энергии компонента в I4 + фрагменты когда лазерные импульсы приходят примерно 1 л.с. до FEL импульсов.
    Примечание: В идеале, это тонкую настройку процедура повторяется с использованием двух цвет сигнал в молекуле фактической цели, найдя такой сигнал.

5. время прибытия джиттер коррекция в анализ данных

Примечание: Для достижения наилучшего временное разрешение, single shot данных должен быть исправлен для выстрел до снимка времени прибытия колебания как измеряется кучу времени прибытия монитор (BAM) или времени инструмент, как описано, например, в Савельев и др. 201712.

  1. Коррекция джиттера время прибытия на основе данных BAM
    Примечание: Для того, чтобы определить значение уникальный и универсальный для T0, та же процедура для коррекции дрожания время прибытия должна быть выполнена как на данных, из которого определяется T0 (например. полученные данные в Шаг 3.2) и для фактического экспериментальных данных, представляющих интерес. Ради следующее описание то предполагается, что T0 определяется путем измерения Xe Ион время полета следы. Протокол может применяться соответствующе, в других случаях.
    1. Участок полоска камеры значения, дрожание сроки лазер и BAM значения как функция для весь спектр выстрел количество сканов насоса зонд интерес. Если есть большие, внезапное скачков л.с. больше чем 1, это может быть признаком потери лазерной замка или другой технической проблемы во время этой конкретной проверки. Некоторые из данных в этом регионе не может быть поддаются коррекции, описанных в следующем и возможно придется отказаться.
    2. Участок гистограмму значений BAM BAM расположен закрыт для эксперимента (BAM 4DBC3) для каждого выстрела сканирования задержки, сделанной в шаге 3.2.1.11.
    3. Выберите значение близко к центру распределения и определить его как значение ссылки BAM0.
    4. Для каждого выстрела задержки сканирования Вычислите исправлены задержки Dn, где n является номером выстрел, как
      Dn = Pn + (BAMn – BAM0) (1)
      где Pn — позиция стадии задержки и n BAM BAM значение для nй выстрел. Обратите внимание, что более положительные значения BAM означает больше задержка между лазер и Оскверненного пульс, т.е., ГСМ, прибывающие позже.
    5. Сортировка, следы времени рейса single shot в подходящую задержку контейнеров на основе их значения исправлены задержки и определить положение центра шаг функции в Xe2 + Xe3 + коэффициент, который дает исправленные положения T0 .
    6. Используя то же значение BAM0 как шаг 5.1.4), вычислить исправлены задержки Dn для каждого выстрела задержка проверки с данными фактической насос зонд интерес, используя уравнение (1).

Representative Results

Если Скверны и оптических лазерных импульсов пространственно перекрытием в регионе взаимодействия ионный спектрометр, временные перекрытия, т.е., можно найти значение задержки T0, при котором Скверны и лазерных импульсов прибывают точно в то же время, Варьируя задержку между Скверны и NIR импульсов и анализируя соотношение Xe2 + Xe3 + ионный выход как функция задержки, как описано выше в разделе 3.2.1. Когда пульс NIR приходит после импульса Скверны (который должен иметь энергии фотона 67.5 eV или выше), Xe,3 + ионный доходность увеличивается за счет после ионизации возбужденных, метастабильного Xe2 + ионов, которые созданы во время распада шнека процесс после Xe (4d) внутренняя оболочка ионизации18, как показано на рисунке 2. Ион заговоре отношение Xe2 + Xe3 + выход как функция задержки таким образом дает шаг функцию, которая может устанавливаться для извлечения точное значение T0.

Подобная функция шаг могут быть получены путем изменения задержки между Скверны и лазерные импульсы и анализируя Ион время полета следы или изображения импульса Ион йода высоко заряженных ионов, например я3 + или я4 +, созданный в ионизации CH3 я, как описано выше в шаге 3.2.2). В этом случае вклад низкой энергии будет отображаться как дополнительный пик в центре высоко заряженных йода пики в спектре времени рейса или как яркое пятно в центре соответствующего импульса изображений, как показано на рисунке 3. Низкоэнергетические ионы создаются при CH3я молекулы сначала отделить от лазерного импульса и Ион фрагмент затем пост ионизированный FEL пульс9,10. Этот метод может использоваться если НДК или УФ импульсов используются для эксперимента, насос зонд, пока Энергия фотона FEL выше 57 eV, который является йод 4d внутренняя оболочка ионизации порог в CH3я.

Для того чтобы правильно для джиттера в относительной прибытия время FEL импульсов в отношении лазерных импульсов, выстрела к выстрелу данные, записанные в кучу времени прибытия монитор (БАМ), показанный на рисунке 4, может использоваться для сортировки данных записанных насос зонда в пост-анализ, как описано выше в разделе 5. Это обычно улучшает временное разрешение и общее качество данных насоса зонд значительно, как показано на рисунке 4 и более подробно, Савельев et al. 201712.

Figure 1
Рисунок 1: экспериментальная установка. Схема экспериментальной установки для УФ насос XUV-зонд эксперимент на молекул в газовой фазе. UV (266 Нм) лазерный луч производится в качестве третьей гармонических луча 800-nm титана: Сапфир (сапфировый) с использованием кристаллов бета Борат бария (BBO) и сжатого с помощью призмы компрессора. Это collinearly дублирует XUV FEL луч с помощью просверленные зеркала и сосредоточены внутри газового сверхзвуковое луч в центре двухсторонний скорости карты изображений спектрометр22,29. Динамика распределения ионов и электронов записываются на противоположных концах спектрометра с помощью МКП/люминофора экрана собраний следуют ПЗС-камеры. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 2
Рисунок 2: задержка зависимость урожайности Ион Xe. XE Ион время полета спектра (отделенный MCP сигнал записан быстро дигитайзер) 83 eV энергии фотона и с НДК лазерных импульсов прибывающих 1 мкс до (сверху, черный след) и после (внизу, красный след) импульсы Скверны. Изменения в Xe2 + Xe3 + соотношение хорошо видна. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 3
Рисунок 3: задержка зависимость урожайности Ион йода и импульса. (A) зум в на4 + пика в спектре время полета Ион CH3я записал в 727 eV энергии фотона и с УФ лазерных импульсов, прибывающие до (красная линия) и после (черная линия) импульсы Скверны. Синие и зеленые линии, соответственно, показывают время полета спектра для Скверны и УФ лазерного импульса одиночку. Эта цифра была изменена Boll et al. 201610. (B) Ион импульс образ я3 + ионов от CH3я записал в 107 eV энергии фотона и с УФ лазерные импульсы, прибывающие до FEL импульсов. (C) так же как (B), но с УФ импульсов, прибывающие после FEL импульсов. На цветовой шкале (B) и (C) показывает выход ионов в произвольных единицах. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 4
Рисунок 4: относительная прибытия время джиттера FEL импульсов в отношении оптических лазерных импульсов. (A) выстрелом на выстрел кучу времени прибытия монитор (BAM) данных для всех снимков Скверны, записанный во время проверки образцовым задержке. Значение ссылки BAM0 был установлен на среднее значение BAM для этого сканирования. (B) Ион доходность низкая кинетической энергии я3 + ионов в УФ-XUV насос зонд эксперимента на difluoroiodobenzene до коррекции дрожания выстрела к выстрелу прибытия. Красная линия показывает что наименьших квадратов подходят функцию распределения (функция ошибки Гаусса) для экспериментальных данных. Fit параметр σ — это мера общее временное разрешение насоса зонд эксперимента. (C) так же, как и (B) , но с изображениями single shot прибегали в новые ячейки задержки, с использованием данных BAM. Планки погрешностей представляют одно стандартное отклонение. Адаптировано из Савельев et al. 201712рис. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Discussion

Из-за сложности экспериментальных установок, насос зонд эксперименты с лазеры на свободных электронах требует высокого уровня знаний и опыта и необходимость очень тщательного, подготовка и подробные обсуждения с научной команды, действуют свободных электронах, оптического лазера и конце станции, как до, так и во время эксперимента. При выполнении фактического эксперимент, точное определение пространственных и временных накладок и закрыть мониторинг всех диагностики и времени системы, как описано в настоящем Протоколе, имеют важное значение.

Обратите внимание, что большинство методов, описанных здесь применимы только для конкретных фотонной энергии диапазона FEL так, как они полагаются на эффекты, которые сильно зависят от энергии фотона. Например, определение «грубой» временные перекрытия, с использованием рассеянный свет, направленный на фотодиод был найден хорошо работать для фотон энергии до ~ 250 eV. На более высокие энергии фотона сигнал, генерируемых импульсов FEL становится настолько малы, что это трудно обнаружить. В этом случае открытого кабель SMA, которые могут быть привлечены очень близко (менее миллиметра) или даже в FEL луч был найден производить более надежный сигнал для выполнения процедуры, описанной в шаге 3.1) протокола. Аналогично, лучшие цели для определения сроков «хорошо», описанной в шаге 3.2), сильно зависит от энергии фотона. Для FEL импульсов в XUV и мягкого рентгеновского региона выше 65.7 eV и ~ 57 eV энергии фотона (соответствует 4d ионизации порогов в Ксенон и CH3, соответственно), ксенона и CH3я были признаны подходящие цели для процедуры описано в шаге 3.2. Метод, с помощью CH3я был найден работать для фотон энергии до 2 кэВ (выше которого он имеет еще не были протестированы), то время как метод с помощью Xe был протестирован до 250 eV. Для фотон энергии ниже 50 eV Бонд, смягчение процесса в H2 может быть используемые19. На фотона энергии выше 400 eV аналогичный процесс в N2 также является подходящим20. Альтернативные подходы включают изменения в отражательной способности в твердых образцов25,26,30 или формирование боковой полосы в фотоэлектронная спектра31,32.

Для достижения лучших временное разрешение, это необходимо для сортировки экспериментальных данных выстрелом на выстрел в на основе анализа данных, чтобы компенсировать дрожание время прибытия между FEL и оптических лазерных импульсов, как описано в шаге 5. Однако качество данных, насос зонд и, в частности, достижимых временное разрешение, сильно зависит от производительности FEL во время эксперимента и длительности импульса оптических лазерных импульсов и Оскверненного импульсов, которые могут быть предоставлены в это время. Для подражания данных, показанные здесь длительность импульса УФ импульсов составляла 150 fs (FWHM) и длительность импульса FEL оценивается в 120 fs (FWHM). Хотя общая прибытия время дрожание приблизительно 90 ФС (rms) перед джиттер коррекция может быть сокращен до приблизительно 27 fs (rms) с помощью процедуры описано здесь12, связанное с этим улучшение общего временного разрешения эксперимент был невелик из-за длительности относительно длинный импульс FEL и оптического лазера. Оба могут, однако, быть значительно сокращены, в этом случае влияние схемы коррекции дрожания будет более значительным. Например новый оптического излучения в настоящее время устанавливается на FLASH, который будет иметь длительность импульса (в ближней ИК-области) ниже 15 fs, в то время как новой операции Скверны, которую режимы также проходят проверку, который может производить FEL импульсы с длительностью импульса по несколько фемтосекунд или даже ниже. Эти изменения позволят вскоре насос зонд эксперименты, сочетая Скверны и оптических лазерных импульсов с общее временное разрешение только несколько десятков фемтосекунд.

В то время как увеличение числа импульсов короткий и интенсивный XUV и рентгеновского, производства FELs породил ряд NIR/УФ - XUV насос зонд эксперименты как один описаны здесь, подобные эксперименты насос зонд также могут быть выполнены с высоким гармонических поколения (HHG) источники33,34,35. Основное ограничение экспериментов на основе FEL обычно является достижимой временное разрешение, который принципиально ограничена путем синхронизации между FEL и оптического лазера или точность с которым относительное время между насосом и зондирующих импульсов может быть измерена. Это не дело для эксперимента на основе HHG насос зонд, где XUV и NIR импульсов неразрывно синхронизированы с точностью югу цикла и которые могут таким образом, в целом, имеют намного выше временным разрешением. Основным преимуществом на основе FEL экспериментов, с другой стороны, является несколько порядков выше Фотон Флюенс, который позволяет экспериментов, например., разбавить целей, которые являются не удастся с текущей HHG источников, особенно на выше Фотон энергии в режима мягкого рентгеновского. В обозримом будущем насос зонд эксперименты с FELs и HHG поэтому останется взаимодополняющих, с некоторые совпадения в регионе XUV, где оба могут использоваться для проведения подобных расследований. Некоторые из шагов для выполнения этих экспериментов также схожи, и некоторые из методов, описанных здесь поэтому может также применяться для экспериментов на основе HHG насос зонд.

Disclosures

Авторы заявляют не конкурирующие интересы.

Acknowledgments

Авторы благодарят Савельев Евгений, Cédric Bomme, Нора Schirmel, Harald Редлин, Стефан Düsterer, Эрланд Мюллер, Хауке Höppner, Свен Толейкиса, Jost Мюллер, Мари Кристин Czwalinna, Рольф Тройш, Томас Kierspel, Теренс Mullins, Себастьян триппеля, Joss Wiese, Йохен Küpper, Феликса Brauβe, Фарук Krecinic, Арно Rouzée, Петр Rudawski, за Юнссон, Амини Kasra, Alexandra Lauer, Майкл Берт, Марк Brouard, лаге Кристенсен, Ян Thøgersen, Хенрик Stapelfeldt, Нора Беррах, Мария Мюллер, Анатолий Ulmer, Симоне Techert , Артем Руденко, Daniela Рапп и Мелани Schnell, который участвовал в Flash-beamtime, во время которого были приобретены конкретных данных показано и обсуждали здесь и которые способствовали анализу и интерпретации. Работе научных и технических групп на FLASH, которые сделали возможным эксперимент, это также с благодарностью. Д.р. признает поддержку от химических наук, геологии и Biosciences отдел, отделение фундаментальных наук энергии, управление науки, Министерство энергетики США, Грант № ДЕ FG02-86ER13491. Эксперименты на FLASH были также поддержаны объединением Гельмгольца через программу следователь молодой Гельмгольца. Мы признаем Общество Макса Планка для финансирования развития и ввод в эксплуатацию лагеря конечной станции в течение Макс Planck расширенный исследовательской группы в CFEL и предоставление оборудования для CAMP@FLASH. Установка CAMP@FLASH частично финансировалась BMBF грантов 05K10KT2, 05K13KT2, 05K16KT3 и 05K10KTB от 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

Химия выпуск 140 насос зонд эксперименты Фемтосекундные лазеры свободных электронов лазеры дрожание коррекции височной и пространственного перекрытия газовой фазы молекулы атомной и молекулярная физика фотохимии
Экспериментальный протокол для фемтосекундных NIR/УФ - XUV насос зонд эксперименты с лазеры на свободных электронах
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