Direct Imaging di laser-driven ultraveloce rotazione molecolare

Nel complesso, l'obiettivo di questo esperimento è quello di scattare istantanee ad alta risoluzione e in tempo reale della rotazione molecolare ultraveloce. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo della Meccanica Quantistica e della Chimica Fisica, come la connessione tra il moto molecolare quantistico e il mondo della meccanica classica. Il vantaggio principale di questa tecnica è che possiamo eseguire l'imaging in tempo reale ad alta risoluzione e ad alto rendimento di molecole da un angolo di ripresa che non è stato realizzato in precedenza.

Questo metodo può fornire informazioni sulla dinamica di rotazione delle molecole. Può anche essere applicato ad altri sistemi come molecole orientate e azioni di risorse fotografiche. L'attrezzatura necessaria per l'esperimento ha due componenti principali.

Il primo è un apparato bidimensionale di imaging a fette costruito in una camera a vuoto. Questo schema fornisce un'idea di cosa c'è all'interno della camera. Dopo i laser, molecole biatomiche ionizzate.

Ci sono elementi ottici ionici per guidare i prodotti di ionizzazione. C'è una fessura per selezionare gli ioni nel piano di polarizzazione laser e un elettrodo che funge da repellente pulsato. Dirige gli ioni verso un rivelatore parallelo costituito da piastre a microcanali supportate da uno schermo al fosforo.

Il secondo componente è la configurazione ottica della sonda della pompa. Come illustrato nello schema, la configurazione impiega un amplificatore laser in titanio zaffiro per creare tre impulsi collineari a femptosecondi. Il primo impulso è polarizzato linearmente con una lunghezza d'onda centrale di 820 nanometri ed è per l'allineamento molecolare.

Il secondo impulso è per il controllo della direzione. Si tratta di una replica ritardata del primo impulso, tranne per il fatto che la polarizzazione lineare è inclinata di 45 gradi rispetto al primo. Il terzo impulso è la sonda di imaging dell'esplosione di Coulomb.

È a 407 nanometri, polarizzato circolarmente e dura 100 femtosecondi. Questi tre impulsi entrano nella camera a vuoto lungo lo stesso percorso. Un passaggio importante consiste nel regolare lo stato di polarizzazione degli impulsi utilizzando un correttore di polarizzazione.

Questo checker consente di visualizzare lo stato di polarizzazione in base all'intensità di trasmissione dipendente dall'angolo di polarizzazione. Installare il correttore di polarizzazione nel percorso del fascio appena prima che entri nella camera. Concentrati sullo stato di polarizzazione della sonda di imaging.

L'obiettivo è la polarizzazione circolare. Per modificare la polarizzazione, utilizzare le piastre d'onda nel percorso dell'impulso. Regolare le piastre d'onda nelle loro montature ottiche rotazionali.

Arrestarsi quando il controllo indica che la polarizzazione è circolare. Segui una procedura simile con l'impulso uno regolando le sue piastre d'onda. Alla fine, il suo angolo di polarizzazione dovrebbe essere verticale.

Manipolare le piastre d'onda del secondo impulso per produrre una polarizzazione lineare in cui l'angolo è di 45 gradi rispetto a quello dell'impulso uno. Rimuovere il controllo di polarizzazione e i dump dal percorso del raggio e completare gli altri preparativi per l'installazione. La sovrapposizione temporale degli impulsi deve essere grossolanamente ottimizzata.

Per fare ciò, quattro elementi devono essere montati appena prima della lente di messa a fuoco nel sistema. Il primo nel percorso è una finestra ottica spessa quanto la lente di messa a fuoco e la finestra della camera combinate. Il prossimo è un cristallo non lineare con una risposta non lineare solo quando la pompa e la sonda interagiscono contemporaneamente.

Il terzo lungo il percorso è un prisma a dispersione. Infine, c'è un foglio di carta bianca per registrare il segnale non lineare. Lavorare con il raggio della pompa a un raggio e l'impulso della sonda posizionando uno scarico del raggio sul raggio a due della pompa.

Ricerca di un segnale di terza armonica utilizzando lo stadio motorizzato. Premere il pulsante di spostamento sul controller di scena per scansionare e cercare il terzo segnale. La carta nel percorso del fascio indicherà il segnale armonico con una fluorescenza bianco blu.

Quindi, sbloccare la pompa due e bloccare la pompa uno con un dumper a trave. Utilizzare il tavolino manuale nella pompa a due linee per regolare il percorso del raggio. Eseguire la scansione dello stadio basato su micrometro fino a quando non si verifica l'emissione della terza armonica.

La determinazione del tempo zero o della sovrapposizione temporale è completa quando la fluorescenza è visibile sulla carta. Prima di continuare, rimuovere tutti gli elementi che sono stati aggiunti alla linea del fascio di luce per trovare la sovrapposizione temporale. L'aspetto unico della configurazione di misurazione è il posizionamento della telecamera.

Come suggerito in questo schema, la superficie del rivelatore è perpendicolare al piano di polarizzazione del laser. L'asse della telecamera è perpendicolare alla superficie del rivelatore e quindi parallelo alla linea di propagazione del laser. Installare una fotocamera digitale sul perno ottico davanti al vuoto view porta assicurandosi che sia orientata correttamente.

Inoltre, installare una ventola di raffreddamento dietro la fotocamera. Per ridurre la luce indesiderata, stendete una tenda sulla regione tra la finestra di visualizzazione e l'obiettivo. Con la fotocamera collegata al computer, avviare il software di controllo e massimizzare il guadagno della fotocamera.

Inizia a catturare le immagini risultanti dalla ionizzazione molecolare. Le immagini della telecamera devono coprire l'intera superficie del rilevatore quando la telecamera è posizionata correttamente. Continuare a monitorare le immagini acquisite per regolare la messa a fuoco della fotocamera.

La dimensione delle macchie dovute agli ioni dovrebbe essere la più nitida e piccola possibile. Per le misurazioni, trovare prima il segnale e ottimizzare le impostazioni di imaging ionico. A tale scopo, utilizzare solo l'impulso della sonda bloccando i raggi di impulsi della pompa.

L'impulso viaggia attraverso una lente convessa piana per focalizzarlo sui fasci molecolari. Un generatore di impulsi imposta il tempo degli interruttori ad alta tensione per l'ottica ionica. Impostarlo sul tempo di arrivo stimato degli ioni molecola di azoto.

Monitora l'immagine ionica mentre regola la posizione dell'obiettivo e il tempo dell'impulso di gas per ottenere l'immagine più grande e luminosa. Quindi, utilizzare il generatore di impulsi per modificare il tempo degli interruttori ad alta tensione. Usa il tempo per il canale dell'azoto doppiamente ionizzato esploso di Coulomb.

Al computer, diminuire la frequenza dei fotogrammi della fotocamera e aumentare il tempo di esposizione. Inoltre, regolare le polarizzazioni ioniche ottiche in modo che la distribuzione ionica osservata diventi un'ellisse non distorta. Passa alla ricerca della sovrapposizione spaziale della sonda della pompa.

Sbloccare la pompa uno, ma mantenere la pompa due bloccata. Utilizzare il telescopio per posizionare i rifiuti del fascio di impulsi della pompa nella montatura a specchio ad alta risoluzione per modificare la posizione del raggio. Mentre il telescopio viene regolato, monitorare il punto dovuto agli impulsi della pompa.

Quando si osserva la dimensione del punto più piccola, i rifiuti del fascio si trovano nel fascio molecolare. Continuare assicurandosi che l'impulso della sonda immagini le molecole irradiate dall'impulso della pompa. Ciò richiede lo spostamento dello stadio di ritardo dalla sua posizione zero.

Per l'azoto, spostare lo stadio motorizzato di circa 600 micrometri in avanti. Come in questo esempio, l'immagine precedentemente isotropa dovrebbe diventare fortemente anisotropa lungo la direzione della polarizzazione della pompa uno. A questo punto, bloccare la pompa uno e sbloccare la pompa due.

Utilizzare il supporto a specchio ad alta risoluzione due per trovare la sovrapposizione della sonda della pompa. Regolare lo specchio mantenendo invariato il percorso ottico della pompa uno. L'allineamento deve essere lungo l'angolo obliquo della direzione di polarizzazione della pompa due rispetto alla polarizzazione della pompa uno.

Per osservare la dinamica di rotazione unidirezionale, sbloccare entrambe le travi della pompa. Utilizzare la fase di ritardo manuale per impostare il ritardo tra le travi della pompa. Regolare lo stadio a quattro picosecondi nel caso dell'azoto molecolare.

Impostare lo stadio motorizzato nel fascio della sonda per scansionare i ritardi della sonda. Verificare se la rotazione unidirezionale può essere riconosciuta nelle immagini della telecamera durante la scansione del ritardo della sonda. Per un filmato con rotazione molecolare unidirezionale, modificare la frequenza dei fotogrammi della fotocamera e il tempo di esposizione.

Utilizzare il controllo del computer per raccogliere i dati e scorrere i valori del tempo della sonda. Questa è un'unica immagine grezza della sonda di azoto doppiamente ionizzato che è stato espulso dopo un colpo di irradiazione della sonda. Ogni punto luminoso corrisponde a uno ione.

Questa immagine viene prodotta quando vengono sommate 10.000 immagini binarie di questo tipo. La dimensione reale dello spazio è di 80 millimetri per 50 millimetri. Si noti che il falso colore viene utilizzato per mostrare l'intensità del segnale.

In definitiva, i dati possono essere utilizzati per generare un grafico polare normalizzato con il valore radiale proporzionale a una probabilità dipendente dall'angolo. Una chiara evidenza di rotazione molecolare unidirezionale è presentata in questa serie di istantanee selezionate scattate dopo l'irradiazione con due impulsi di pompa. Ci sono tre serie.

Uno ha l'immagine ionica in cui la forma ellittica è stata convertita in un cerchio. Il secondo ha un grafico polare corrispondente. Infine, c'è una serie creata con un modello costruito utilizzando immagini sovrapposte di manubri a vari angoli di orientamento, pesate con le probabilità angolari osservate.

Dopo il suo debutto, questa tecnica ha aperto la strada ai ricercatori nel campo delle scienze molecolari per esplorare la natura quantistica della rotazione molecolare. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come controllare e visualizzare la rotazione molecolare ultraveloce utilizzando impulsi laser con pistola phaser.