Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Ett experimentellt protokoll för femtosekund NIR/UV - XUV Pump-Probe experiment med gratis-elektron lasrar

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

Det här protokollet beskriver de viktigaste stegen för att utföra och analysera pump-probe experiment kombinerar en optisk femtosecondlaser med gratis-elektron laser för att studera ultrasnabb fotokemiska reaktioner i gasfas-molekyler.

Abstract

Det här protokollet beskriver viktiga stegen i utföra och analysera femtosekund pump-probe experiment som kombinerar en optisk femtosecondlaser med gratis-elektron laser. Detta inkluderar metoder för att fastställa den rumsliga och tidsmässiga överlappning mellan optiska och gratis-elektron laser pulserar under de experiment, samt viktiga aspekter av analysen av data, till exempel korrigeringar för ankomst tiden jitter, som är nödvändiga för att få hög kvalitet pump-probe datauppsättningar med den bästa möjliga temporal upplösningen. Dessa metoder demonstreras för ett exemplariskt experiment utförs på FLASH (Free-elektron LASer Hamburg) gratis-elektron laser för att studera ultrasnabb fotokemi i gasfas-molekyler genom velocity karta ion imaging. De flesta av strategierna gäller dock även för liknande pump-probe experiment med andra mål eller andra experimentella tekniker.

Introduction

Tillgången på kort och intensiv extrema ultraviolett (XUV) och röntgen pulser från gratis-elektron lasrar (FELs)1,2 har öppnat nya möjligheter för femtosekund pump-probe experiment att utnyttja den plats - och element-specificitet inner-shell foto-absorptionen processen3,4,5,6. Sådana experiment kan användas, t.ex., att undersöka molekylär dynamik och debitera bearbetar vätskor7 och gas-fas molekyler8,9,10,11 , 12, och för realtid observationer av katalytiska reaktioner och ultrasnabb ytan kemi13,14 med en temporal upplösning på 100 femtosekunder eller nedan. Om pump-probe experimentet utförs genom att kombinera en synkroniserade optiska femtosecondlaser med FEL, vilket var fallet i alla exempel som nämns ovan den inneboende ankomsttid jitter mellan optisk laser och FEL pulserna har skall mätas på basis av skottet av skott och korrigerade för i dataanalysen för att uppnå bästa möjliga temporal upplösning.

Inom ett stort samarbete har flera pump-probe experiment kombinerar optisk laser med en gratis-elektron laser nyligen utförda9,10,11,12, både på den FLASH XUV FEL15 ,16 och de LCLS röntgen FEL17 -anläggningarna och ett experimentellt protokoll för att utföra och analysera dessa experiment har utvecklats, som presenteras i följande. Metoden demonstreras för ett exemplariskt experiment utförs på FLASH gratis-elektron laser för att studera ultrasnabb fotokemi i gasfas-molekyler genom velocity karta ion imaging11,12. Men de flesta av strategierna som gäller även för liknande pump-probe experiment med andra mål eller andra experimentella tekniker och kan också anpassas till andra FEL-anläggningarna. Medan några av de enskilda stegen presenteras här eller varianter därav har redan diskuterats i litteraturen18,19,20, ger detta protokoll en utförlig beskrivning av de viktigaste stegen, inklusive några som utnyttjar de senaste tekniska förbättringarna i synkronisering och timing diagnostiken, som har avsevärt förbättrat stabiliteten och den temporal upplösningen för pump-probe experiment12, 21.

Följande protokoll förutsätter en pump-probe-slutstation, såsom CAMP instrumentet på FLASH22, utrustad med en ion time-of-flight, en ion momentum imaging eller kartan velocity imaging (VMI) ion spektrometer; en översvallande eller supersonic gasstrålen; och en synkroniserad nära infrarött (NIR) eller ultraviolett (UV) femtosecondlaser, vars pulser kan vara överlappande collinearly eller nära-collinearly med gratis-elektron laserstrålen, som skissade schematiskt i figur 1. Dessutom en lämplig uppsättning diagnostik verktyg såsom en avtagbar balk bildskärm (t.ex. en paddel belagda med Ce:YAG pulver eller en tunn Ce:YAG kristall) i regionen interaktion, en snabb fotodiod som är känsliga för både FEL och laser pulserar och ett gäng ankomsttid monitor (BAM)23,24 eller ”timing verktyg”25,26,27 krävs, varav alla är vanligtvis integrerade i pump-probe-slutstation eller tillhandahålls av anläggningen i FEL, om begärts före experimentet. Slutligen, skottet av skott jitter korrigering förutsätter att experimentella data är inspelad och tillgänglig på basis av skottet av skott och länkade till skottet av skott mätningar av gäng ankomsttid tiden jitter med hjälp av en unik ”gäng ID” eller av en annan motsvarande system.

På FLASH är de specifika system som är avgörande för pump-probe experiment:

  • Den aktiva, all-optisk återkoppling och stabilisering system av pump-probe laser master laser oscillator, vilket inkluderar en balanserad optisk cross-correlator som stabiliserar pump-probe laserns oscillator utdata till master laser oscillatorn, och en Cross-correlator (”drift correlator”) att korrigera för långsam drivor av laser förstärkaren med avseende på de oscillator21.
  • De gäng ankomsttid bildskärmar (BAMs) som mäter skott-till-skott variationerna i den elektron gäng ankomsttiden vid olika lägen i accelerator med avseende på befälhavaren laser oscillator23,24. De kan användas för en aktiv-feedback loop att stabilisera tidpunkten för elektronen klasar med avseende på den master laser oscillator, vilket minskar långsamt drivor i ankomsttiden. Dessutom BAM ligger stängd till experimentet (BAM 4DBC3) kan användas för en skott-till-skott jitter korrigering i dataanalysen, som i detalj i steg 5.1 i det experimentella protokollet.
  • Pump-probe laser strimma kameran, som mäter relativa tidpunkten mellan pump-sonden laser output och de dipol strålning som alstras av elektron gäng i slutet av gaspedalen innan det styrs in i beam dump28.
  • Fokus kameran som bilder ”virtuella” laser fokus med hjälp av del av laserstrålen som läcker genom den senaste roterande spegeln bakom fokus lins för att övervaka parasitically långsam rumsliga drivor av optiska lasern.

Liknande system finns på andra FEL-anläggningarna och är avgörande för att utföra en pålitlig pump-probe experiment.

Protocol

Försiktighet: Innan du startar proceduren, det är mycket viktigt att bekanta sig med alla möjliga faror ansluten till experimentet. Proceduren nedan innehåller klass-IV lasrar, XUV eller röntgen strålning, högspännings-källor, komprimerade gaser och skadliga eller giftiga kemikalier. Vänligen konsultera alla relevanta säkerhetsdatablad (MSDS) innan användning och följ alla säkerhetskrav som ställs på uppdrag av FEL och laser anläggningen.

1. beredning

Obs: Innan start av försöket, flera val måste göras, t.ex., angående det optimala valet av pumpen och sonden våglängder och stödnivåer för målet för intresse och lämplig typ av spektrometer att mäta önskad observabler (se, t.ex., Fang et al. 20144 och Rudenko et al. 20155). I följande dessa tekniska aspekter relaterade till specifika processer och mål som skall studeras inte diskuteras och antas det att lämpliga beam parametrarna för FEL och optisk laser för planerade experimentet har fastställts och ställa in och att en lämplig ion spektrometer är installerat och fungerar.

  1. Justering och pekar stabilitet av FEL och laser balkar
    1. I början av experimentet, övervaka det skottet av skottet och långsiktiga pekar stabilitet både FEL och optiska laserstrålar på visningsskärmen löstagbar balk i regionen interaktion och förbättra stabiliteten i inställningen för laser och FEL lasern processen , om det behövs.
      Obs: För att utföra en pålitlig pump-probe experiment, är det viktigt att både FEL och optiska laserstrålar är optimalt justerade via sökvägen hela beamline/balk och att peka ostadigheter av båda balkar är mindre än deras strålpunkt i fokus. Storlekar av fokuserad optisk laser och FEL balkar är vanligtvis storleksordningen ett par till några tiotals mikrometrar, så den rumsliga upplösningen i balken visar skärmen och optiken och kameran som används till bild denna skärm (t.ex. en långdistans micros Cope) måste vara tillräckligt höga för att exakt bestämma positionen för båda balkar.
    2. Undvika eller minimera någon distorsion av FEL balken mellan experimentet och plats där FEL puls energin mäts med centrering balken på alla transporter speglar och öppningar i beamline. Alla öppningar som kan klämma strålen när strålen pekar ändringar på grundval av skottet av skott eller genom långsam drivor under loppet av en försening scan kan äventyra förmågan att normalisera data på FEL puls energi.
    3. Optimera positionen för gas jet och spektrometern avseende FEL fokus och fokus för optisk laser ställning i alla tre rumsdimensioner. Beroende på Detaljer av installationen, kan detta göras genom att flytta vakuumkammare eller genom att flytta enskilda komponenter eller genom att flytta fokus position FEL och optiska laserstrålen.
  2. Välfungerande feedback system och diagnostik verktyg
    Kontrollera att alla nödvändiga återkopplingssystem och diagnostik och övervakning verktyg är aktiverade, väl fungerande, och – om nödvändigt – att deras data registreras i dataströmmen FEL maskin. På FLASH inkluderar dessa all-optisk återkoppling och stabilisering system av pump-probe laser; gäng ankomsttid bildskärmarna (BAMs); pump-probe laser strimma kamera; och virtuella fokus kameran. Se inledningen för en mer detaljerad beskrivning av dessa system.
    Obs: Det rekommenderas starkt att kontinuerligt övervaka dessa system medan du utför pump-probe experimentet för att vara medveten om eventuella problem, t.ex., med Lasersystemet och synkronisering, så snabbt som möjligt.

2. fastställande av rumsliga överlappning mellan the FEL balk och optiska laserstrålen

  1. Överlappande balkar visuellt på en Ce:YAG balk betraktande skärm i regionen interaktion
    1. Kontrollera att detektorns ion (och elektron) och den höga spänningen på ion spektrometer elektroderna är avstängd innan du fortsätter.
    2. Minska FEL puls energin och kraften i optisk laser med hjälp av filter och dämpare installerad i beamline till mindre än 1% transmission för att undvika skador på visningsskärmen av fokuserad balkar.
    3. Infoga balken betraktande skärm i regionen interaktion. Om det inte går att upptäcka beam fläckarna kan öka något deras stödnivåer.
      Obs: beroende på experimentell geometri (fullt collinear eller nära-collinear, dvs., med optisk laserstrålen justeras i liten vinkel med avseende på FEL balken, t.ex. att undvika att förlora alltför mycket makt i hålet i den borrade incoupling spegel), kan det vara avgörande att skärmen ligger exakt vid position i regionen interaktion, eftersom även en liten förskjutning av några millimeter kan orsaka en feljustering av balkar när det gäller nära-collinear geometri.
    4. Blockera optiska lasern genom att stänga laser slutaren och markera positionen för FEL balken på bildskärm genom att skapa en ”region av intresse (ROI)” med hjälp av kameran data förvärv programvara.
    5. Blockera FEL strålen genom att stänga FEL slutaren och inspektera position optiska laserstrålen på bildskärm. Använda lämpliga styrningen speglar för optiska lasern, rikta strålen så att överlappa den markerade punkten på FEL plats.
      Obs: För de flesta pump-probe experiment är det fördelaktigt att använda en spot storlek på pump balken som är större än den plats av sonden balken. Detta underlättar att hitta bra rumsliga överlappning och gör experimentet mer robust till små pekar fluktuationer, vilket minskar sannolikheten för att sondera ett område i rymden där målet inte har varit upphetsad av pump pulsen. I allmänhet garanterar en större pump än sonden plats också mer homogen excitation.
    6. Upprepa steg 2.1.4 och 2.1.5 att finjustera överlappningen och kontrollera att överlappningen är stabil.
    7. Ta bort beam betraktande skärm. Slå sedan på detektorer och spektrometern höga spänningar.
      Obs: Om den visuella överlappning av balkar på bildskärm i regionen interaktion inte ger tillfredsställande resultat, dvs., om en två-färg signal inte kan hittas i de efterföljande stegen som beskrivs i steg 3,2, rumsliga överlappningen mellan balkar kan definieras mer exakt med hjälp ion signalen, som beskrivs i steg 2.2, om en Jon imaging spektrometer är tillgänglig. Denna procedur beskrivs också i Johnsson et al. 201019.
  2. Överlappande balkar med hjälp ion time-of-flight signalen och ion bilder
    1. Överlappar varandra i detektorn planet
      1. Ställ in spektrometern spänningar ”rumsliga imaging läget”, dvs., sådan att ion detektor bilden är en direkt, förstorad bild av regionen interaktion. Spänning inställningar för detta läge beror på den specifika spektrometern.
      2. Välj ion bilden motsvarar en icke-fragmenterade molekylär överordnade ion eller använda en atom mål och en Joniska kostnad stat som produceras av både FEL och optisk laser ensam, t.ex. H2O+ joner från kvarvarande gasen inuti vakuumkammare. Om nödvändigt, minska FEL eller laser intensiteten för att producera sådan kostnad stat. Undvik att använda ett mål som introduceras av en supersonic balk, eftersom strålen hastigheten kan förfalska förfarandet.
      3. Blockera optiska lasern använder laser slutaren och markera träff positionen av joner produceras av FEL balken.
      4. Blockera FEL balken med FEL slutaren och spela in positionen för samma ion Art produceras av optiska laserstrålen. Använda lämpliga styrningen speglar för optiska lasern, rikta laserstrålen tills jonen träffar ståndpunkter överlappar varandra så bra som möjligt med den markerade punkten av joner produceras av FEL balken.
      5. För att överlappa foci av två strålar längs beam förökning riktning, flytta fokus linsen av laser tills laser fokus är centrerad i spektrometern.
      6. Upprepa steg 2.2.1.3 och 2.2.1.4 att finjustera överlappningen och kontrollera att överlappningen är stabil.
    2. Överlappar varandra i time-of-flight riktning
      1. Driva spektrometern i en ”time-of-flight mode”, dvs., sådan att ion upptäckt tidpunkten signal (dvs., ion time-of-flight spektrumet) kan övervakas på en snabb oscilloskop eller digitizer, som utlöses av FEL master utlösaren . Undvika drift spektrometern i Wiley-McLaren villkor så att flygtiden är känsliga för startpositionen längs spektrometer axeln.
      2. I ion time-of-flight spektrum, identifiera och zooma in på toppen som motsvarar den samma Jon som används i 2.2.1.2.
      3. Blockera optiska lasern använder laser slutaren och just markera mitten av time-of-flight toppen produceras av FEL balken ensam.
      4. Blockera FEL balken med FEL slutaren och hitta mitten av samma time-of-flight toppen produceras av optiska laserstrålen ensam. Använda lämpliga styrningen speglar för optiska lasern, rikta laserstrålen tills time-of-flight toppen produceras av optiska laserstrålen överlappar perfekt med markerade mitten av toppen produceras av FEL balken.
        Obs: Detta fungerar bara om ankomsttider de optiska laserpulser och FEL pulserna är inom ungefär en nanosekund av varandra. Om i tvivel, utföra steget ”grov tajming” som beskrivs i steg 3.1 innan du gör förfarandet rumsliga överlappning.
      5. Upprepa steg 2.2.2.3 och 2.2.2.4 att finjustera överlappningen och kontrollera att överlappningen är stabil.

3. fastställande av Temporal överlappning mellan FEL pulserna och de optiska laserpulser

  1. ”Grov” timing
    Obs: Grov timingen mellan FEL pulserna och de optiska laserpulser till en precision av några tiotals picoseconds kan bestämmas med hjälp av en snabb fotodiod ansluten, via en kort SMA kabel, till en ”bias T” med ett 9 V batteri på ”DC i” och en snabb (≥10 GHz) OS loscope, som utlöses av FEL master utlösaren. Dioden placeras vanligtvis inte direkt i FEL och laser balkar eftersom detta kan förstöra dioden. Istället är det installerade vinkelrätt mot FEL balken, och en lös mesh används för att skicka en liten mängd spridda fotoner till dioden.
    1. Minska FEL puls energin och kraften i optisk laser med hjälp av filter och dämpare installerad i beamline till den punkt där signalen från det spridda ljuset inte kommer att förstöra fotodioden. En säker utgångspunkt är vanligtvis ett överföring-värde på 1% (dvs., 99% dämpning).
    2. Sätt in scattering mesh i balken. Optimera placeringen av mesh och FEL puls energi och laser power sådana att varje bom som ensam ger en tydlig signal och att båda signalerna har samma höjd.
    3. Blockera optiska lasern använder laser slutaren och med finaste tid basen tillgänglig, Spara referens spår på oscilloskopet använder ca 100 medelvärden.
    4. Blockera FEL balken med FEL slutaren och jämföra den resulterande tracen från lasersignal med hänvisa till FEL. Använda lämpliga dröjsmål scenen för optisk laser, SKIFT ankomsttiden för laserpulsen tills uppkomsten av lasersignal är just på positionen för uppkomsten av FEL signal.
    5. Upprepa steg 3.1.3 och 3.1.4 att verifiera att FEL och laser pulserna är så nära varandra i tid som möjligt baserat på upplösningen på fotodioden.
    6. Om, till följd av ovanstående procedur, skiftades laserpulsen i tid av mer än 1 nanosekund, upprepar du steg 2.2.2 (”överlappar i time-of-flight riktning”) med den nya laser-timingen.
  2. ”Fine” timing
    Observera: Den exakta tidpunktenT0, när FEL och laser pulserna är exakt överlappade i tid, kan hittas med hjälp av en två-färg (FEL + laser) signal som uppvisar högst eller en ”step-funktionen”-liknande ökning eller minskning,e.g., i ion avkastning eller kinetisk energi i en viss Joniska fragment. Som lämplig metod beror på de FEL och laser våglängderna, finns flera metoder beskrivna i följande.
    1. T 0 bestämning för XUV + NIR pulser med xenon gas
      Obs: Denna metod är lämplig för 800 eller 400-nm laser pulserar och XUV pulser över tröskelvärdet Xe (4d) jonisering på 67,5 eV.
      1. Dämpa FEL och optisk laser för att inte skada den ion (och elektron) detector(s) med en överdriven räkna ränta på grund av hög absorption tvärsnitt av xenon.
      2. Införa Xe gas in i kammaren antingen genom gas jet eller läcker det in i vakuum genom en nålventil. I det senare fallet, justera trycket till mellan 1 x 10-7 och 1 x 10-6 mbar.
      3. Spela in ion time-of-flight spektrumet. Blockera den laser som använder laser slutaren och justera FEL puls energin så att ion time-of-flight spektrumet domineras av singel-photon processer, dvs., sådan att den Xe2 + och Xe3 + toppar är de starkaste Xe laddningstillstånd i time-of-flight spektrumet och högre laddningstillstånd saknas (nästan). Om nödvändigt, justera Xe trycket så att båda topparna är väl inom det dynamiska omfånget av detektorn och datainsamlingssystemet.
      4. Blockera den FEL med FEL slutaren och avblockera lasern. Justera lasereffekten sådan att laserpulser producera mestadels Xe+ och endast en liten mängd av Xe2 +.
      5. Avblockera FEL och tidtagningen mellan FEL och laser så att laserpulser anländer ca 200 ps innan FEL pulser (baserat på ungefärliga läsningen av T0 erhållits från den ”grova” timing metod som beskrivs i steg 3.1). registrera ion time-of-flight spektrumet och bestämma förhållandet mellan Xe2 + till Xe3 + från området av de motsvarande topparna i time-of-flight spektrumet.
      6. Timingen mellan FEL och laser sådan att laserpulser anlända ca 200 ps efter FEL pulser baserade på T0 erhållits från metoden ”grov” timing. Spela in Xe ion time-of-flight spektrumet och bestämma förhållandet mellan Xe2 + till Xe3 +. Om den rumsliga överlappningen mellan FEL och laser pulser är bra, kommer att det förändras avsevärt från det förhållande som erhålls i steg 3.2.1.5, med Xe3 + signalen nu är starkare än i steg 3.2.1.5, som visas i figur 2.
      7. Tidtagningen laser halvvägs mellan värdena i steg 3.2.1.5 och 3.2.1.6.
      8. Spela in ion time-of-flight spektrumet och bestämma förhållandet mellan Xe2 + till Xe3 +. Om förhållandet är liknande den i steg 3.2.1.5, laserpulser fortfarande anländer innan FEL pulser. Om förhållandet är liknande den i steg 3.2.1.6, laserpulser fortfarande anländer efter FEL pulser.
      9. Om laserpulser fortfarande anländer innan FEL pulserna (dvs., baserat på liknande steg 3.2.1.5), tidtagningen halvvägs mellan det aktuella värdet och värdet i steg 3.2.1.6), annars in det halvvägs mellan det aktuella värdet och värdet i steg 3.2.1.5).
      10. Upprepa 3.2.1.8 och 3.2.1.9 tills ställning T0 har varit minskat ner till en noggrannhet bättre än 500 fs.
      11. Ställa in en fördröjning scan över en region av +/-1 ps runt T0 ungefärliga position i steg 50 FS (eller mindre, beroende på NIR och FEL puls varaktighet). Spela in time-of-flight spektrumet och bestämma förhållandet mellan Xe2 + till Xe3 + för varje steg. I mitten av ”step-funktionen” i signalen kommer att ge den exakta positionen för T0.
    2. T0 bestämning för XUV + NIR eller UV pulser med CH3jag
      Obs: Denna metod är lämplig för XUV pulser tröskelvärdet jonisering I(4d) på ~ 57 eV och antingen 266-nm eller 800-nm laser pulserar (400 nm är oprövad, men förmodligen också möjligt). Det kan också utföras med CF3jag istället för CH3jag.
      1. Dämpa FEL och optisk laser för att undvika att skada detektorn med en överdriven räkna ränta.
      2. Införa CH3jag molekyler in i kammaren antingen genom gas jet eller läcker det in i vakuum genom en nålventil. I det senare fallet, justera trycket till mellan 1 x 10-7 och 1 x 10-6 mbar. Om ångtryck av CH3jag prov inte är tillräckligt för att bilda en molekylär balk, använda han som bärgas.
      3. Spela in ion time-of-flight spektrumet. Blockera den laser som använder laser slutaren och justera FEL puls energi till den högsta tillgängliga puls energin.
      4. Blockera den FEL med FEL slutaren. När du använder 266-nm pulser, justera lasereffekten sådan att laser producerar CH3jag+ joner och en liten mängd I+ och CH3+. När du använder 800-nm pulser, justera lasereffekten sådan att laser producerar en betydande mängd CH3I+, jag+och CH3+ joner, men endast ett fåtal mer laddad joner.
      5. Ange tidpunkten mellan FEL och laser så att laserpulser anländer ca 200 ps innan FEL pulserna (baserat på ungefärliga läsningen av T0 erhållits från den ”grova” timing metod som beskrivs i steg 3.1). Spela in ion time-of-flight spektrumet eller, när du använder kartan velocity imaging (VMI) spektrometer, ion bilden för I4 + fragment (för photon energier under 600 eV, jag3 + fragment kan också användas). Justera spektrometer spänningar så att de time-of-flight topparna motsvarar ensamma och multiplicera laddad jod fragmenten är bred (på grund av deras stora rörelseenergi) eller, när du använder en VMI spektrometer, sådan att jag4 + ion bilden täcker de flesta av detektorn.
        1. I ion time-of-flight spektrum, toppen som motsvarar I4 + fragment (liksom topparna motsvarar högre jod laddningstillstånd) kommer att ha en smal spik i mitten (se figur 3A). När du använder en VMI-spektrometer, en eller två (beroende på spektrometer resolutionen och riktningen av laser polarisation) små ljusa fläckar visas nära centrum av I4 + ion bilden (se figur 3B). Om dessa funktioner inte visas, antingen timing eller rumsliga överlappning är inte korrekta.
      6. Ange tidpunkten mellan FEL och laser så att laserpulser anländer ca 200 ps efter FEL pulserna baserat på T0 erhållits från metoden ”grov” timing. Spela in ion time-of-flight spektrumet eller ion bilden för I4 + fragment. Spik i mitten TOF topparna och de ljusa spot(s) i centrera av VMI bilderna försvinner.
      7. Ställ in lasern timing halvvägs mellan värdena i steg 3.2.2.5 och 3.2.2.6.
      8. Spela in ion time-of-flight spektrumet eller I4 + ion bild och avgöra om spikar eller spot(s) är närvarande eller inte. Om de är närvarande, laserpulser fortfarande anländer innan FEL pulser. Om de inte är, laserpulser fortfarande anländer efter FEL pulser.
      9. Om laserpulser fortfarande anländer innan FEL pulserna, tidtagningen halvvägs mellan det aktuella värdet och värdet i steg 3.2.2.6, annars ställa halvvägs mellan det aktuella värdet och värdet i steg 3.2.2.5.
      10. Upprepa 3.2.2.8 och 3.2.2.9 tills ställning T0 har varit minskat ner till en noggrannhet bättre än 500 fs.
      11. Ställa in en fördröjning scan över en region av +/-1 ps runt den ungefärliga platsen för T0 i steg om 50 fs. Spela in time-of-flight spektrumet eller ion bilden för I4 + fragment för varje steg. Rita avkastningen av spike eller ljusa fläckar som en funktion av dröjsmål. ”Step-funktionen” i signalen ligger på en fördröjning av ~ 120-150 fswith respekt till T09,10.

4. finjustering rumsliga överlappningen på en två-färg Signal

Obs: Även om proceduren för att upprätta den rumsliga överlappning som beskrivs i steg 2.1 och 2.2 är vanligtvis tillräckligt exakta för att kunna observera två-färg signalen beskrivs i förfarandet för att inrätta den temporal överlappningen (steg 3), är det ofta lämpligt att finjustera den rumsliga överlappningen på denna två-färg signal innan du startar den faktiska pump-probe experimentet.

  1. För att finjustera den rumsliga överlappningen, noggrant justera speglarna som avgör den rumsliga överlappningen och därmed maximera den Xe2 + Xe-3 + förhållande när laserpulser anländer cirka 1 ps efter FEL pulser.
  2. Alternativt, om det temporal överlappning förfarandet utförs med CH3, maximera avkastningen av lågenergi-komponent i I4 + fragment när laserpulser anländer cirka 1 ps innan FEL pulser.
    Obs: Helst denna finjusterande proceduren upprepas med en två-färg signal i faktiska målmolekylen, när en sådan signal har hittats.

5. ankomsttid Jitter korrigering i dataanalysen

Obs: För att uppnå bästa möjliga temporal upplösning, single shot data måste korrigeras för skott-till-skott ankomsttid växlingarna mätt av gäng ankomsttid monitor (BAM) eller timing verktyg, som beskrivits, t.ex., i Savelyev o.a. 201712.

  1. Ankomsttid jitter korrigering utifrån BAM data
    Obs: För att fastställa ett unikt och universellt värde för T0, samma procedur för ankomsttid jitter korrigering har ska utföras både på data från vilken T0 bestäms (t.ex. uppgifter som erhållits i steg 3.2) och för den faktiska experimentella data av intresse. Skull följande beskrivning antas det att T0 bestäms genom att mäta Xe ion time-of-flight spår. Protokollet kan tillämpas ekvivalentt i övriga fall.
    1. Rita strimma kamera värdena, laser timing jitter och BAM värden som en funktion av shot antal för hela sortimentet av pump-probe skanningar av intresse. Om det finns stora, plötsligt hoppar av mer än 1 ps, kan detta vara en indikation på en förlust av laser lock eller ett annat tekniskt problem under genomsökningen särskilt. Vissa data i regionen kan inte vara mottagliga för den korrigering som beskrivs nedan och kan behöva kasseras.
    2. Handling ett histogram av BAM värden för den BAM ligger stängd för varje skott av dröjsmål skanningen tas i steg 3.2.1.11 till experimentet (BAM 4DBC3).
    3. Valde ett värde nära mitten av fördelningen och definiera det som referensvärdet BAM0.
    4. För varje skott av dröjsmål genomsökningen, beräkna korrigerad förseningen Dn, där n är numret för skott, som
      Dn = Pn + (BAMn – BAM0) (1)
      där Pn är dröjsmål skede ställning och BAMn är BAM värdet för Nilssonsköt th. Observera att fler positiva BAM värden innebär en större fördröjning mellan lasern och FEL puls, dvs., de FEL som anländer senare.
    5. Sortera single shot time-of-flight spår i lämplig fördröjning lagerplatser baserat på deras korrigerade försening värde och bestämma center position step-funktionen Xe2 + till Xe3 + förhållandet, vilket ger den korrigerade positionen av T0 .
    6. Använda samma värde för BAM0 som i steg 5.1.4), beräkna den korrigerade fördröjningen Dn för varje skott av dröjsmål sökningen med de faktiska pump-probe data av intresse med hjälp av ekv (1).

Representative Results

Om FEL och optisk laser pulserna är rumsligt överlappade i regionen interaktion av ion spektrometern, temporal överlappning, dvs., dröjsmål värdet T0, där FEL och laser pulserar anländer exakt samtidigt, kan hittas genom att variera fördröjningen mellan FEL och NIR pulser och genom att analysera förhållandet mellan den Xe2 + till Xe3 + Jon avkastning som en funktion av dröjsmål som nämnts i avsnitt 3.2.1. När NIR pulsen anländer efter FEL puls (vilket måste ha en fotonenergi 67,5 eV eller högre), upphetsad den Xe3 + ion kapacitet ökas på grund av efter jonisering av, metastabilt Xe2 + ion som skapas under Auger förfalla processen efter Xe (4d) inner-shell jonisering18, som visas i figur 2. Ion plottning förhållandet mellan den Xe2 + till Xe3 + och direktavkastning som en funktion av dröjsmål ger således en step-funktionen, som kan monteras för att extrahera det exakta värdet av T0.

En liknande step-funktionen kan erhållas genom att variera fördröjningen mellan FEL och laser pulserar och genom att analysera de ion time-of-flight spår eller ion momentum bilder av laddad jod joner, såsom jag3 + eller jag4 +, skapade i joniseringen av CH3 I, som förklaras ovan i steg 3.2.2). I det här fallet visas ett lågenergi-bidrag som en ytterligare topp i mitten av laddad jod topparna i time-of-flight spektrum eller som en ljuspunkt i mitten av de motsvarande momentum-bilderna, som visas i figur 3. Lågenergi-jonerna skapas när CH3jag molekyler dissocieras först av laserpulsen och ion fragmentet joniseras då efter av FEL puls9,10. Denna metod kan användas om antingen NIR eller UV pulser används för pump-probe experimentet, så länge FEL fotonenergin är högre än 57 eV, vilket är jod 4d inner-shell jonisering tröskelvärdet i CH3jag.

För att korrekt för jitter i den relativa ankomsttiden för FEL pulserna med avseende på laser pulserna, skottet av skott data registreras som gäng ankomsttid monitor (BAM), visas i figur 4, kan användas för att sortera inspelade pump-probe data i de efter analys, som förklaras ovan i avsnitt 5. Detta förbättrar vanligtvis temporal upplösning och övergripande kvaliteten på pump-probe data betydligt, som visas i figur 4 och, mer i detalj, i Savelyev et al. 201712.

Figure 1
Figur 1: experimentell Setup. Skiss av den experimentella setup för en UV-pump XUV-probe experiment på gas-fas molekyler. UV (266 nm) laserstrålen är fram som den tredje harmoniska av ett 800-nm Titan: Sapphire (Ti:Sa) beam använder Beta Barium Borat (BBO) kristaller och komprimerad med en prisma kompressor. Det är collinearly överlappas med XUV FEL balken med en borrade spegel och fokuserade inuti en supersonic gas balk i mitten av en dubbelsidig velocity karta imaging spektrometer22,29. Ion och elektron momentum distributioner är inspelade på motsatta sidor av spektrometern använder en MCP/fosfor skärmen församling följt av en CCD-kamera. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: dröjsmål-beroende av Xe ion avkastningen. XE ion time-of-flight spektrum (frikopplat MCP signal registreras av en snabb digitizer) på 83 eV fotonenergi och med Niren laser pulserar anländer 1 μs innan (topp, svart trace) och efter (botten, röda trace) FEL pulserna. Förändringen i den Xe2 + Xe-3 + förhållande syns tydligt. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3: dröjsmål-beroende av jod ion avkastning och fart. (A) zooma in på I-4 + topp i ion time-of-flight spectrumen av CH3jag spelade in på 727 eV fotonenergi och med UV laser pulserna anländer innan (röda linjen) och efter (svart linje) FEL pulserna. Den blå och gröna linjen, Visa respektive time-of-flight spektrumet för FEL och UV-laser puls ensam. Denna siffra har ändrats från Boll et al. 201610. (B) Ion fart bild av I3 + joner från CH3jag spelade in på 107 eV fotonenergi och med UV-laser pulserar anländer innan FEL pulserna. (C) samma som (B), men med UV pulserna anländer efter FEL pulserna. Färgskalan i (B) och (C) visar ion avkastningen i godtyckliga enheter. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4: relativa ankomst tid jitter av FEL pulser med avseende på de optiska laserpulser. (A) skottet av skott gäng ankomsttid monitor (BAM) data för alla FEL skott registreras under en exemplarisk dröjsmål scan. Referensvärdet BAM0 sattes till medelvärdet BAM värde för denna Skanna. (B) Ion avkastning av låg kinetiska energi jag3 + joner produceras i ett UV-XUV pump-probe experiment på difluoroiodobenzene före korrigering av skott-till-skott ankomst darret. Den röda linjen visar en minstakvadratmetoden passar av en kumulativa fördelningsfunktionen (Gauss fel funktion) till experimentella data. Den passar parametern σ är ett mått på den totala temporal upplösningen av pump-probe experiment. (C) samma som i (B) men med single shot bilder tillgripit i nya dröjsmål papperskorgar med hjälp av BAM-data. Felstaplar representera en standardavvikelse. Figur anpassad från Savelyev et al. 201712. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Discussion

På grund av komplexiteten i de experimentella uppställningar, pump-probe experiment med gratis-elektron lasrar kräva en hög kompetens och erfarenhet och behovet av mycket noggrann förberedelse och ingående diskussioner med de vetenskapliga team som bedriver den gratis-elektron laser, optisk laser och slutstation, både före och under experimentet. Medan du utför den verkliga experimentet, exakt bestämning av rumsliga och tidsmässiga överlappning och nära övervakning av alla diagnostik och timing system, som beskrivs i detta protokoll, är nödvändiga.

Observera att de flesta av metoderna som beskrivs här gäller endast för en specifik photon energi rad FEL eftersom de är beroende av effekter som är starkt beroende av fotonenergi. Exempelvis bestämning av ”grov” temporal överlappningen med spridda ljus riktat på en fotodiod visade sig fungera bra för photon energier upp till ~ 250 eV. Vid högre photon energier blir den signal som genereras av FEL pulserna så liten att det är svårt att upptäcka. I så fall hittades en förutsättningslös SMA kabel som kan föras mycket nära (mindre än en millimeter) till eller ens in FEL balken för att producera en mer tillförlitlig signal att utföra proceduren i steg 3.1) i protokollet. Likaså det bästa målet för att fastställa den ”fina” timingen, beskrivs i steg 3,2), är starkt beroende av fotonenergin. För FEL pulser i XUV och mjuk röntgen regionen ovanför 65,7 eV och ~ 57 eV fotonenergi (motsvarande 4d jonisering tröskelvärdena i xenon och CH3, respektive), Xe och CH3jag befanns vara lämpliga mål för förfarandet steg som beskrivs i 3.2. Metoden som använder CH3jag visade sig fungera för photon energi upp till 2 keV (ovan som det inte har ännu testats), medan metoden som använder Xe har testats upp till 250 eV. För photon energier under 50 eV, kan den bond mjukgörande process i H2 vara begagnade19. På fotonen energier över 400 eV är en liknande process i N2 också lämpliga20. Alternativa metoder innebär förändringen i reflektionsförmåga av en solid prov25,26,30 eller bildandet av side band i den fotoelektronen spektrum31,32.

För att uppnå bäst temporal upplösning, är det nödvändigt att sortera experimentella data på grundval av skottet av skott i dataanalysen till kompensera för ankomst tid jitter mellan FEL och de optiska laserpulser, som beskrivs i steg 5. Dock beror kvaliteten av pump-probe data och i synnerhet, den uppnåeliga temporal upplösningen, starkt på prestandan hos FEL under experimentet och puls varaktigheten för de optiska laserpulser och FEL pulserna som kan tillhandahållas under den tiden. För exemplarisk data visas här, puls varaktigheten av UV pulserna beräknades till 150 fs (FWHM) och FEL puls varaktigheten uppskattades till 120 fs (FWHM). Även om den totala ankomst tid-jitter i cirka 90 fs (rms) innan jitter korrigering kan reduceras till cirka 27 fs (rms) med hjälp av proceduren som beskrivs här12, resulterande förbättring av den totala temporal upplösningen av den experimentet var ganska liten på grund av relativt lång puls varaktigheten för FEL och optisk laser. Båda kan, dock minskas avsevärt, i vilket fall effekterna av jitter korrigering systemet blir mer betydande. Till exempel installeras en ny optisk laser för närvarande på FLASH, som kommer att ha pulslängd (i det nära infrarött) under 15 fs, medan nya FEL operation lägen testas också som kan producera FEL pulser med puls varaktigheten för några femtosekunder eller ens nedan. Denna utveckling kommer snart aktivera pumpen-probe experiment att kombinera FEL och optiska laserpulser med en övergripande temporal upplösning på endast några tiotals femtosekunder.

Medan den ökade tillgången på kort och intensiv XUV och röntgen pulser produceras av FELs har gett upphov till ett antal NIR/UV - XUV pump-probe experiment som den som beskrivs här, liknande pump-probe experiment kan även utföras med hög harmoniska generation (HHG) källor33,34,35. Den största begränsningen av de FEL-baserade experiment är vanligtvis den uppnåeliga temporal upplösning, som är fundamentalt begränsad av synkronisering mellan FEL och optisk laser eller genom precision med vilken relativt timing mellan pumpen och den sonden pulser kan mätas. Detta är inte fallet för en HHG-baserade pump-probe experimentera, där XUV och NIR pulserna synkroniseras intimt med sub cykel precision och som kan därför i allmänhet har en mycket högre temporal upplösning. Den stora fördelen med FEL-baserade experimenten, däremot, är det flera tiopotenser högre photon fluence, vilket gör experiment, t.ex., på späd mål som inte är är genomförbart med nuvarande HHG källor, särskilt vid högre Photon energier i den mjuka Röntga-regimen. För överskådlig framtid förblir pump-probe experiment med FELs och HHG därför kompletterande, med viss överlappning i regionen XUV där båda kan användas för liknande undersökningar. Några av stegen för att utföra dessa experiment liknar också, och några av de metoder som beskrivs här kan därför också tillämpas för HHG-baserade pump-probe experiment.

Disclosures

Författarna förklarar inget konkurrerande intressen.

Acknowledgments

Författarna tackar 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, Felix Brauβe, Arnaud Rouzée, Faruk Krecinic, Jochen Küpper, Piotr Rudawski, Per Johnsson, Maggan Amini, Alexandra Lauer, Michael Burt, Mark Brouard, Lauge Christensen, Jan Thøgersen, Henrik Stapelfeldt, Nora Berrah, Maria Müller, Anatoli Ulmer, Simone Techert , Artem Rudenko, Daniela Rupp och Melanie Schnell, som deltog i den FLASH beamtime under vilka specifika data visas och diskuteras här förvärvades och som bidragit till analys och tolkning. Arbetet i de vetenskapliga och tekniska team på FLASH, som har möjliggjort experimentet, erkänns också tacksamt. D.R. erkänner stöd från kemiska vetenskaper, geovetenskaper, och Biosciences Division, Office av grundläggande Energivetenskaper, Office of Science, US Department of Energy, Grant nr. DE-FG02-86ER13491. Experimenten på FLASH stöttades också av den Helmholtz Gemeinschaft genom programmet Helmholtz Young Investigator. Vi erkänner den Max Planck-sällskapet för finansiering av utveckling och inledande drift av CAMP-slutstationen inom Max Planck Advanced Study Group på CFEL och för att tillhandahålla denna utrustning för CAMP@FLASH. Installationen av CAMP@FLASH finansierades delvis av BMBF bidrag 05K10KT2, 05K13KT2, 05K16KT3 och 05K10KTB från 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

Kemi fråga 140 Pump-probe experiment Femtosecond lasrar fri-elektron lasrar Jitter korrigering temporala och rumsliga överlappning Gas-fas molekyler Atom och molekylfysik fotokemi
Ett experimentellt protokoll för femtosekund NIR/UV - XUV Pump-Probe experiment med gratis-elektron lasrar
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