Ce protocole décrit les principales étapes pour l’exécution et l’analyse des expériences de pompe-sonde combinant un femtoseconde optique laser avec un laser à électrons libres afin d’étudier les réactions photochimiques ultrarapides dans les molécules de la phase gazeuse.
Ce protocole décrit les étapes principales de l’exécution et l’analyse des expériences de pompe-sonde femtoseconde qui combinent un femtoseconde optique laser avec un laser à électrons libres. Cela inclut des méthodes pour établir que la spatiale et temporelle se chevauchent entre les impulsions laser optique et électrons libres au cours de l’expérience, ainsi que des aspects importants de l’analyse de données, tels que les corrections pour la gigue d’arrivée de temps, qui sont nécessaires pour obtenir des ensembles de données de haute qualité pompe-sonde avec la meilleure résolution temporelle possible. Ces méthodes sont démontrés pour une expérience exemplaire effectuée au laser à électrons libres du FLASH (électrons libres LASer Hamburg) afin d’étudier la photochimie ultrarapide dans les molécules de la phase gazeuse par imagerie d’ion carte vélocité. Cependant, la plupart des stratégies est également applicable à des expériences similaires de pompe-sonde à l’aide d’autres cibles ou autres techniques expérimentales.
La disponibilité des court et intense extrême ultraviolet (XUV) et des légumineuses aux rayons x de lasers à électrons libres (FELs)1,2 a ouvert de nouvelles perspectives pour les expériences de pompe-sonde femtoseconde exploitant le site – et élément-spécificité des couches internes photo-absorption processus3,4,5,6. Ces expériences peuvent être utilisés, par exemple, pour étudier la dynamique moléculaire et transfert de charge traite des liquides7 et gazeux molécules8,9,10,11 , 12, et pour les observations en temps réel des réactions catalytiques et ultrarapide de surface chimie13,14 , avec une résolution temporelle ou inférieure à 100 femtosecondes. Si l’expérience de la pompe-sonde est réalisée en combinant un laser femtoseconde optique synchronisée avec le FEL, qui était le cas dans tous les exemples mentionnés ci-dessus, la gigue heure d’arrivée intrinsèque entre le laser optique et les impulsions FEL doit être mesurée sur une base de plan par plan et corrigée pour l’analyse des données pour la meilleure résolution temporelle possible.
Au sein d’une grande collaboration, plusieurs expériences de pompe-sonde combinant optique laser avec un laser à électrons libres ont été récemment effectués9,10,11,12, tous les deux à la FLASH XUV FEL15 ,,16 et17 installations L.I.C. FEL de rayons x et un protocole expérimental pour l’exécution et l’analyse de ces expériences a été élaboré, qui est présenté dans ce qui suit. La méthode est démontrée pour une expérience exemplaire effectuée chez le FLASH laser d’électrons libres afin d’étudier la photochimie ultrarapide dans les molécules de la phase gazeuse au moyen de vitesse carte ion d’imagerie11,12. Cependant, la plupart des stratégies s’applique également aux expériences similaires de pompe-sonde à l’aide d’autres cibles ou autres techniques expérimentales et peut également être adaptée dans d’autres installations FEL. Alors que certaines des différentes étapes présentées ici, ou leurs variantes ont déjà été abordées dans la littérature18,19,20, ce protocole fournit une description détaillée des étapes clés, y compris certains qui tirent parti des plus récentes améliorations techniques dans la synchronisation et des diagnostics de calendrier, qui ont considérablement amélioré la stabilité et la résolution temporelle pour des expériences de pompe-sonde12, 21.
Le protocole suivant suppose une pompe-sonde-terminus, tels que le CAMP à FLASH22, équipé d’un ion temps de vol, une imagerie dynamique d’ion ou une carte de vitesse d’imagerie spectromètre ionique de (téléphone mobile STM) ; un jet de gaz expansif ou supersonique ; et un synchronisé proche infrarouge (NIR) ou laser de femtoseconde ultraviolet (UV), dont les impulsions peuvent se chevaucher collinearly ou près-collinearly avec le faisceau laser à électrons libres, comme esquissé schématiquement à la Figure 1. En outre, une suite appropriée du diagnostic des outils comme un écran de visualisation du faisceau amovible (par exemple. une pagaie recouverte de poudre de Ce:YAG ou un cristal mince Ce:YAG) dans la région d’interaction, une photodiode rapide sensible aux impulsions de laser et de la FEL et un tas heure d’arrivée monitor (BAM)23,24 ou « outil de chronométrage »25,26,27 sont nécessaires, qui sont habituellement intégrées dans la pompe-sonde-terminus ou sont fournis par l’installation FEL, si demandé avant l’expérience. Enfin, la correction de gigue de plan par plan suppose que les données expérimentales soient enregistré et accessibles sur une base de plan par plan et lié aux mesures coup-par-coup de la gigue d’arrivée-heure de tas en utilisant un ID unique « grouper » ou par un autre schéma équivalent.
Flash, les systèmes spécifiques qui sont cruciaux pour les expériences de pompe-sonde sont :
Des systèmes similaires existent dans d’autres établissements FEL et sont essentiels pour réaliser une expérience fiable pompe-sonde.
En raison de la complexité des configurations expérimentales, des expériences de pompe-sonde avec les lasers à électrons libres exigent un haut niveau d’expertise et d’expérience et nécessité très minutieuse préparation et des discussions détaillées avec les scientifiques des équipes qui exploitent la laser à électrons libres, le laser optique et la station terminale, avant et Pendant l’expérience. Tout en exécutant l’expérience réelle, détermination précise du chevauchement spatial et temporel près suivi de tous les diagnostics et synchronisation de systèmes, tel que décrit dans le présent protocole, sont essentiels.
Notez que la plupart des méthodes décrites ici s’appliquent uniquement pour une gamme d’énergie de photon spécifique de la FEL car ils reposent sur des effets qui dépendent fortement de l’énergie des photons. Par exemple, la détermination du chevauchement temporel « rugueux » à l’aide de la lumière diffusée, réalisé sur une photodiode s’est avérée pour fonctionner bien pour les énergies de photon jusqu’à ~ 250 eV. Aux énergies de photon plus élevées, le signal généré par les impulsions FEL devient si faible qu’il est difficile à détecter. Dans ce cas, un câble SMA à composition non limitée qui peut être amené très près (moins d’un millimètre) ou même dans le faisceau FEL a été trouvé pour produire un signal plus fiable pour effectuer la procédure décrite à l’étape 3.1) du protocole. De même, la meilleure cible pour la détermination du moment « fin », décrit à l’étape 3.2), dépend fortement de l’énergie des photons. Pour FEL impulsions dans le XUV et douce région de rayons x 65,7 eV et énergie des photons eV ~ 57 (correspondant aux 4 seuils d’ionisationd xénon et CH3I, respectivement), Xe et CH3je devais trouvé que des cibles pour la procédure décrit à l’étape 3.2. La méthode à l’aide de CH3j’ai trouvé à travailler pour des énergies de photon jusqu’à 2 keV (au-dessus de laquelle il n’a pas encore été testé), tandis que la méthode à l’aide de Xe a été testé jusqu’à 250 eV. Pour les énergies de photon inférieures à 50 eV, la liaison ramollissement des processus en H2 peut être utilisé19. À des énergies de photon au-dessus de 400 eV, un processus semblable au N2 est également adapté20. Approches alternatives impliquent le changement dans la réflectivité d’un échantillon solide25,26,30 ou la formation de bandes latérales dans les photoélectrons spectre31,32.
Afin d’atteindre la meilleure résolution temporelle, il est nécessaire de trier les données expérimentales sur une base de tir-par-coup dans l’analyse des données afin de compenser la gigue de temps d’arrivée entre le FEL et les impulsions optiques laser, tel que décrit à l’étape 5. Cependant, la qualité des données pompe-sonde et, en particulier, la résolution temporelle réalisable, dépend fortement les performances de la FEL pendant l’expérience et les durées d’impulsion des impulsions laser optique et les impulsions FEL qui peuvent être fournies pendant ce temps. Pour les données exemplaires ci-contre, la durée de l’impulsion des impulsions UV a été estimée à 150 fs (FWHM) et la durée d’impulsion FEL a été estimée à 120 fs (FWHM). Bien que la temps total arrivée-gigue d’environ 90 fs (rms) avant correction de gigue pourrait être réduite à environ 27 fs (rms) à l’aide de la procédure décrite ici12, l’amélioration qui en résulte de la résolution temporelle totale de la expérience a été plutôt faible en raison de durées relativement longue pulsation de la FEL et le laser optique. Toutefois les deux peuvent être considérablement réduits, auquel cas l’impact du régime correction jitter seront plus importantes. Par exemple, un nouveau laser optique est en cours d’installation au FLASH, ce qui aura une durée d’impulsion (dans le proche infrarouge) au-dessous de 15 fs, tandis que de la nouvelle opération FEL modes sont également testés qui peut produire des impulsions FEL avec des durées d’impulsions de quelques femtosecondes ou même ci-dessous. Ces développements permettront bientôt des expériences de pompe-sonde combinant FEL et impulsions laser optique avec une résolution temporelle globale de seulement quelques dizaines de femtosecondes.
Alors que la disponibilité accrue d’impulsions courtes et intenses XUV et rayons x produites par FELs a donné naissance à un certain nombre de NIR/UV – XUV pompe-sonde expériences telles que celle décrite ici, des expériences similaires de pompe-sonde peuvent également être effectuées avec la grande génération d’harmoniques (HHG) sources33,34,35. La principale limitation des expériences axées sur le FEL est généralement la résolution temporelle réalisable, ce qui est fondamentalement limitée par la synchronisation entre le FEL et l’optiques laser ou par la précision avec laquelle le parent temporisation entre la pompe et le impulsions de la sonde peuvent être mesurées. Ce n’est pas le cas pour expérimenter une pompe-sonde HHG-basé, où les impulsions XUV et NIR sont intrinsèquement synchronisées avec une précision de cycle secondaire et qui peut donc, en général, avoir une résolution temporelle beaucoup plus élevée. L’avantage majeur des expériences axées sur le FEL, en revanche, est la plusieurs ordres de grandeur plus élevé photon fluence, qui permet des expériences, par exemple., diluer les cibles qui ne sont pas possible avec les sources actuelles de HHG, surtout au plus élevé énergies de photon dans le régime de rayons x mou. Dans un avenir prévisible, les expériences pompe-sonde FELs et HHG restera donc complémentaires, avec des chevauchements dans la région XUV où les deux peuvent être utilisés pour des enquêtes similaires. Certaines des étapes à réaliser ces expériences sont également similaires, et certaines des méthodes décrites ici peuvent donc aussi être appliqué aux expériences axées sur les HHG pompe-sonde.
The authors have nothing to disclose.
Les auteurs remercient 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, de Maria Müller, de Anatoli Ulmer, de Simone Techert , Artem Rudenko, Daniela Rupp et Melanie Schnell, qui ont participé à le beamtime FLASH au cours de laquelle les données spécifiques montré et discutés ici ont été acquis et qui ont contribué à l’analyse et l’interprétation. Le travail des équipes scientifiques et techniques au FLASH, qui ont rendu possible l’expérience, elle aussi tient à reconnaître. D.R. reconnaît la prise en charge des Sciences chimiques, sciences de la terre et Biosciences Division, Bureau des Sciences de l’énergie base, Office of Science, U.S. Department of Energy, Grant no DE-FG02-86ER13491. Les expériences à FLASH étaient également soutenus par la Helmholtz-Gemeinschaft à travers le programme de jeunes chercheurs de Helmholtz. Nous remercions la Société Max-Planck pour le financement de l’élaboration et la mise en service de la centrale fin CAMP au sein de la Max Planck Advanced Study Group à CFEL et pour la fourniture de cet équipement pour CAMP@FLASH. L’installation de CAMP@FLASH a été financée en partie par le BMBF subventions 05K10KT2, 05K13KT2, 05K16KT3 et 05K10KTB de FSP-302
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 |