Dit protocol beschrijft de belangrijkste stappen voor het uitvoeren en analyseren van pomp-sonde experimenten combineren een femtoseconde optische laser met een laser gratis-elektron om ultrasnelle photochemische reacties in de gasfase moleculen te bestuderen.
Dit protocol beschrijft belangrijke stappen in het uitvoeren en analyseren van femtoseconde pomp-sonde experimenten die een femtoseconde optische laser met een gratis-elektron-laser combineren. Dit omvat methoden om vast te stellen dat de ruimtelijke en temporele overlappen tussen de optische en gratis-elektron laserpulsen tijdens het experiment, evenals de belangrijke aspecten van de data-analyse, zoals correcties voor aankomst tijd jitter, die nodig zijn om het verkrijgen van kwalitatief hoogwaardige pomp-sonde datasets met de best mogelijke temporele resolutie. Deze methoden worden gedemonstreerd voor een voorbeeldige experiment uitgevoerd bij de flitser (vrije-elektron LASer Hamburg) gratis-elektron laser om ultrasnelle Fotochemie in gasfase moleculen te bestuderen door middel van snelheid kaart ion imaging. De meeste van de strategieën gelden echter ook voor soortgelijke pomp-sonde experimenten met behulp van andere doelen of andere experimentele technieken.
De beschikbaarheid van korte en intense extreem ultraviolet (XUV) en X-ray pulsen van gratis-elektron lasers (FELs)1,2 heeft opengesteld van nieuwe mogelijkheden voor femtoseconde pomp-sonde experimenten exploitatie van de site – en element-het specifieke karakter van de inner-shell foto-absorptie proces3,4,5,6. Dergelijke experimenten kunnen worden gebruikt, bijvoorbeeld, onderzoeken van moleculaire dynamica en overdracht te laden verwerkt in vloeistoffen7 en gasfase moleculen8,9,10,11 , 12, en voor real-time waarnemingen van katalytische reacties en ultrasnelle chemie13,14 met een temporele resolutie van 100 femtosecondes of hieronder oppervlakte. Als de pomp-sonde experiment is uitgevoerd door het combineren van een laser gesynchroniseerde optische femtoseconde met de FEL, vermeld dat was het geval in alle voorbeelden hierboven, de intrinsieke aankomsttijd jitter tussen de optische laser en de FEL pulsen moet worden gemeten op basis van de shot-door-shot en gecorrigeerd voor in de data-analyse met het oog op de best mogelijke temporele resolutie.
Binnen een grote samenwerking, hebben verschillende pomp-sonde experimenten combineren optische lasers met een gratis-elektron laser onlangs uitgevoerde9,10,11,12, zowel op de FLASH XUV FEL15 ,16 en de LCLS X-ray FEL17 faciliteiten, en een experimenteel protocol voor het uitvoeren en analyseren van deze experimenten heeft ontwikkeld, die wordt gepresenteerd in de volgende. De methode wordt gedemonstreerd voor een voorbeeldige experiment uitgevoerd op de FLASH gratis-elektron laser om ultrasnelle Fotochemie in gasfase moleculen te bestuderen door middel van snelheid kaart ion imaging11,12. Echter de meeste van de strategieën gelden ook voor soortgelijke pomp-sonde experimenten met behulp van andere doelen of andere experimentele technieken en kan ook worden aangepast aan andere FEL faciliteiten. Terwijl sommige van de afzonderlijke stappen hier gepresenteerd of variaties daarvan reeds in de literatuur18,19,20 besproken zijn, bevat dit protocol een uitgebreide beschrijving van de belangrijkste stappen, waaronder enkele die van de meest recente technische verbeteringen profiteren in de synchronisatie en in de timing diagnostiek, die hebben aanzienlijk verbeterd de stabiliteit en de temporele resolutie voor pomp-sonde experimenten12, 21.
Het volgende protocol wordt ervan uitgegaan dat een pomp-sonde-eindstation, zoals het kamp instrument FLASH22, voorzien van een ion time-of-flight, een ion momentum imaging of een snelheid kaart imaging (VMI) ion spectrometer; een uitbundig of supersonische jet van gas; en een gesynchroniseerde ‘ nabij-infrarood (NIR) of ultraviolet (UV) femtoseconde laser, waarvan pulsen overlappen kunnen collinearly of in de buurt van-collinearly met de vrije-elektronen laserstraal, zoals in Figuur 1schematisch geschetst. Bovendien, een passende suite van diagnose tools zoals een verwisselbare beam-scherm (bv. een peddel bekleed met Ce:YAG poeder of een dunne Ce:YAG kristal) in de interactie-regio, een snelle fotodiode gevoelig voor zowel laser als FEL pulsen en een bos aankomsttijd monitor (BAM)23,24 , of artikel “timing tool”25,26,27 zijn vereist, die allemaal zijn meestal geïntegreerd in de pomp-sonde-eindstation of worden geleverd door de FEL faciliteit, als vóór het experiment aangevraagd. Tot slot, de shot-door-shot jitter correctie wordt ervan uitgegaan dat de experimentele gegevens opgenomen en toegankelijk op basis van de shot-door-shot en gekoppelde naar de maten van de shot-door-shot van de bos aankomsttijd tijd-jitter met behulp van een unieke “bunch ID” of door een andere gelijkwaardige regeling.
Op FLASH zijn de specifieke systemen die cruciaal voor de pomp-sonde experimenten zijn:
Vergelijkbare systemen zijn beschikbaar op andere FEL faciliteiten en zijn van cruciaal belang voor het uitvoeren van een experiment betrouwbare pomp-sonde.
Vanwege de complexiteit van de experimentele opstellingen, pomp-sonde experimenten met gratis-elektron lasers vereist een hoog niveau van deskundigheid en ervaring en moet zeer zorgvuldige voorbereiding en gedetailleerde discussies met de wetenschappelijke teams die functioneren de gratis-elektron laser, de optische laser en de einde-station, zowel vóór als tijdens het experiment. Tijdens het uitvoeren van de werkelijke experiment, precieze bepaling van ruimtelijke en temporele overlapping en dicht toezicht op alle diagnostiek en timing systemen, zoals beschreven in dit protocol, zijn essentieel.
Merk op dat de meeste van de hier beschreven methoden zijn alleen van toepassing voor een specifieke foton energiebereik van de FEL aangezien ze vertrouwen op effecten die sterk afhankelijk zijn van de energie van het foton. Bijvoorbeeld, de bepaling van de “ruwe” temporele overlapping met behulp van verstrooide licht gericht op een fotodiode bleek goed te werken voor photon energieën tot ~ 250 eV. Bij hogere photon energieën wordt het signaal gegenereerd door de FEL pulsen zo klein dat het moeilijk op te sporen. In dat geval is een open SMA kabel die kan worden gebracht zeer dicht (minder dan een millimeter) naar of zelfs in het FEL licht bleek te produceren een meer betrouwbaar signaal voor het uitvoeren van de procedure die wordt beschreven in stap 3.1) van het protocol. Ook de beste doelstelling voor het bepalen van de “fine” timing, beschreven in stap 3.2), is sterk afhankelijk van de energie van het foton. Voor FEL pulsen in de XUV en zachte X-ray regio boven 65.7 eV en ~ 57 eV foton-energie (overeenkomend met de 4d ionisatie drempels in xenon en CH3I, respectievelijk), Xe en CH3ik bleken te zijn van passende doelstellingen voor de procedure beschreven in stap 3.2. De methode met behulp van CH3ik werd gevonden om te werken voor photon energieën tot 2 keV (waarboven het heeft nog niet getest), terwijl de methode met behulp van Xe is getest tot 250 eV. Bij photon energieën onder 50 eV kunnen de band verzachten proces in H2 gebruikte19. Bij photon energieën boven 400 eV is een soortgelijk proces in N2 ook geschikt20. Alternatieve benaderingen betrekken de verandering in de reflectiviteit van een solide monster25,26,30 of de vorming van kant bands in de photoelectron spectrum31,32.
Met het oog op de beste temporele resolutie, het is noodzakelijk voor het sorteren van de experimentele gegevens op basis van shot-door-shot in de data-analyse om te compenseren voor de aankomst tijd jitter tussen de FEL en de optische laserpulsen, zoals beschreven in stap 5. Echter, de kwaliteit van de gegevens van de pomp-sonde en, in het bijzonder, de haalbare temporele resolutie, sterk hangt af van de prestaties van de FEL tijdens het experiment en de duur van de pols van de optische laserpulsen en de FEL pulsen die kunnen worden verstrekt gedurende die tijd. Voor de voorbeeldige gegevens die hier worden weergegeven, de impulstijd van de UV-pulsen werd geschat op 150 fs (FWHM) en de impulstijd FEL werd geschat op 120 fs (FWHM). Hoewel de totale aankomst tijd-jitter van ongeveer 90 fs (rms) voordat de jitter-correctie kan worden teruggebracht tot ongeveer 27 fs (rms) met behulp van de procedure hier12, de daaruit voortvloeiende verbetering van de totale temporele resolutie van beschreven de experiment was vrij klein vanwege de relatief lange puls-duur van de FEL en de optische laser. Beide kunnen, echter aanzienlijk worden verminderd, in welk geval de gevolgen van de jitter correctie regeling belangrijker zal worden. Bijvoorbeeld, wordt een nieuwe optische laser geïnstalleerd op de flitser die een impulstijd (in het nabij-infrarood hebben zal) onder 15 fs, terwijl nieuwe FEL operatie modi worden ook getest en die kan produceren FEL pulsen met een puls duur van een paar femtosecondes of zelfs hieronder. Deze ontwikkelingen kan snel pomp-sonde experimenten FEL en optische laserpulsen te combineren met een algehele temporele resolutie van slechts enkele tientallen femtosecondes.
Terwijl de toegenomen beschikbaarheid van korte en intense XUV en X-ray pulsen geproduceerd door FELs heeft geleid tot een aantal NIR/UV – XUV pomp-sonde experimenten zoals hier beschreven, vergelijkbaar pomp-sonde experimenten kunnen ook worden uitgevoerd met hoge harmonische generatie (HHG) bronnen33,34,35. De belangrijkste beperking van de FEL gebaseerde experimenten is meestal de haalbare temporele resolutie, die fundamenteel beperkt door de synchronisatie tussen de FEL en de optische laser of de precisie is waarmee de relatieve timing tussen de pomp en de sonde pulsen kunnen worden gemeten. Dit is niet het geval voor een HHG gebaseerde pomp-sonde experimenteren, waar de XUV en NIR pulsen zijn intrinsiek gesynchroniseerd met sub cyclus precisie en die kunnen dus, in het algemeen, hebben een veel hogere temporele resolutie. Het grote voordeel van de FEL gebaseerde experimenten, aan de andere kant, is de verschillende ordes van grootte hoger foton fluentie, waarmee experimenten, bijvoorbeeld., verder verdunnen van de doelen die zijn niet haalbaar met de huidige HHG bronnen, vooral bij hogere photon energieën in het zachte X-ray-regime. Voor de nabije toekomst, zal pomp-sonde experimenten met FELs en HHG daarom blijven aanvullen, met enige overlap in de regio van de XUV waar allebei kunnen worden gebruikt voor soortgelijke onderzoeken. Enkele van de stappen voor het uitvoeren van deze experimenten ook vergelijkbaar zijn, en sommige van de hier beschreven methoden kan daarom ook worden toegepast voor HHG gebaseerde pomp-sonde experimenten.
The authors have nothing to disclose.
De auteurs bedanken Evgeny Savelyev Cédric Bomme, Nora Schirmel, Harald Redlin, Stefan Düsterer, Erland Müller, Hauke Höppner, Sven Toleikis, Jost Müller, Marie Kristin Czwalinna, Rolf Treusch, Thomas Kierspel, Terence Mullins, Sebastian Trippel, Joss Wiese, Jochen Küpper, Felix Brauβe, Faruk Krecinic, Arnaud Rouzée, Piotr Rudawski, Per Johnsson, Kasra Amini, Alexandra Lauer, Michael Burt, Mark Brouard, Lauge Christensen, Jan Thøgersen, Henrik Stapelfeldt, Nora Berrah, Maria Müller, Anatoli Ulmer, Simone Techert , Artem Rudenko, Daniela Rupp en Melanie Schnell, die hebben deelgenomen aan de FLASH beamtime waarin de specifieke gegevens weergegeven en hier besproken werden verworven en die hebben bijgedragen aan de analyse en interpretatie. Het werk van de wetenschappelijke en technische teams in FLASH, die mogelijk hebben gemaakt het experiment, wordt ook dankbaar erkend. D.R. erkent steun van de chemische wetenschappen Geowetenschappen, en Biosciences Division, Office of Basic Energy Sciences, Office of Science, US Department of Energy, Grant nr. DE-FG02-86ER13491. De experimenten op FLASH werden ook ondersteund door het Helmholtz-Gemeinschaft via het Helmholtz Young Investigator programma. Wij erkennen de Max-Planck-Gesellschaft, voor de financiering van de ontwikkeling en de initiële werking van het kamp eindstation binnen de Max Planck Advanced Study Group op CFEL en voor het verstrekken van deze apparatuur voor CAMP@FLASH. De installatie van CAMP@FLASH werd gedeeltelijk gefinancierd door subsidies 05K10KT2, 05K13KT2, 05K16KT3 en 05K10KTB van FSP-302 van de goedgekeurd
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 ( ≥10 GHz) oscilloscope | Tektronix | TDS6124C |