Dieses Protokoll beschreibt die wichtigsten Schritte für die Durchführung und Analyse von Pumpe-Sonde Experimente einen optische Femtosekunden-Laser mit einem freie-Elektronen-Laser kombiniert, um ultraschnelle photochemische Reaktionen in der Gasphase Moleküle zu studieren.
Dieses Protokoll beschreibt die wichtigsten Schritte bei der Durchführung und Analyse von Femtosekunden-Pumpe-Sonde-Experimente, die einen optische Femtosekunden-Laser mit einem freie-Elektronen-Laser kombinieren. Dazu gehören Methoden, um festzulegen, dass die räumliche und zeitliche Überschneidungen zwischen der optischen und freie-Elektronen-Laserimpulse während das Experiment sowie wichtige Aspekte der Datenanalyse, z. B. Korrekturen für Ankunft Zeit Jitter, die notwendig, um sind erhalten Sie qualitativ hochwertige Pumpe-Sonde Datensätze mit den besten zeitlicher Auflösung. Diese Methoden sind für ein vorbildliches Experiment durchgeführt, bei der freie-Elektronen-Laser FLASH (Free-Electron LASer Hamburg) um ultraschnelle Photochemie in Gasphase Moleküle durch Geschwindigkeit Karte Ionen-Bildgebung zu studieren unter Beweis gestellt. Die meisten der Strategien gelten jedoch auch für ähnliche Pumpe-Sonde-Experimente mit anderen Zielen oder anderen experimentellen Techniken.
Die Verfügbarkeit von kurzen und intensiven extreme Ultraviolet (XUV) und röntgenpulse von freie-Elektronen-Laser (FELs)1,2 eröffnet neue Möglichkeiten für Femtosekunden Pumpe-Sonde Experimente, die Nutzung der Website und Element-Spezifität der inneren Schale Foto-Aufnahme-Prozess3,4,5,6. Solche Experimente können verwendet werden, z.B., zu untersuchen molekulare Dynamik und aufladen Transfer-Prozesse in Flüssigkeiten7 und Gasphase Moleküle8,9,10,11 , 12, und für Echtzeit-Beobachtungen der katalytischen Reaktionen und ultraschnelle Chemie13,14 mit einer zeitlichen Auflösung von 100 Femtosekunden oder unten Oberfläche. Der Pumpe-Sonde Versuch erfolgt durch die Kombination eines synchronisierten optische Femtosekunden-Lasers mit der FEL, erwähnt die bei allen Beispielen oben, die intrinsische Ankunftszeit Jitter zwischen der optischen Laser und die FEL Impulse muss gemessen werden auf einen Schlag für Schlag-Basis und für die Datenanalyse zur Erreichung den bestmöglichen Zeitauflösung korrigiert.
Im Rahmen einer großen Zusammenarbeit wurden mehrere Pumpe-Sonde Experimente kombinieren optische Laser mit einem freie-Elektronen-Laser kürzlich durchgeführten9,10,11,12, sowohl auf die FLASH XUV FEL15 ,16 und LCLS Röntgen FEL17 Einrichtungen und ein experimentelles Protokoll für die Durchführung und Analyse von diesen Experimenten entwickelt wurde, ist die im folgenden vorgestellt. Die Methode ist für ein vorbildliches Experiment auf der Flash-freie-Elektronen-Laser durchgeführt, um ultraschnelle Photochemie in Gasphase Moleküle durch Geschwindigkeit Karte Ion imaging11,12Studie gezeigt. Aber die meisten der Strategien gelten auch für ähnliche Pumpe-Sonde-Experimente mit anderen Zielen oder anderen experimentellen Techniken und können auch zu anderen FEL-Einrichtungen angepasst werden. Während einige der einzelnen Schritte hier vorgestellten oder Varianten davon bereits in der Literatur18,19,20erörtert worden sind, bietet dieses Protokoll eine umfassende Beschreibung der wichtigsten Schritte, darunter auch einige, die profitieren Sie von den neuesten technischen Verbesserungen in der Synchronisation und bei der Timing-Diagnose, die Stabilität und die zeitliche Auflösung für Pumpe-Sonde Experimente12deutlich verbessert haben, 21.
Das folgende Protokoll übernimmt eine Pumpe-Sonde-Endstation, wie das CAMP Instrument bei Flash-22, ausgestattet mit eine Ionen-Time-of-Flight, ein Ion-Dynamik-Bildgebung oder eine Geschwindigkeit Karte imaging (VMI) Ionen-Spektrometer; ein überschwängliches oder Überschall Gasstrahl; und eine synchronisierte Nah-Infrarot (NIR) oder ultravioletten (UV)-Femtosekunden-Laser, dessen Impulse überlappt werden können in der Nähe-so oder so mit dem freie-Elektronen-Laser-Strahl, wie in Abbildung 1schematisch skizziert. Darüber hinaus eine entsprechende Suite der Diagnose tools wie eine abnehmbare Träger Sichtschirm (zB. ein Paddel, beschichtet mit Ce:YAG Pulver oder eine dünne Ce:YAG Kristall) in der Interaktion-Region, eine schnelle Photodiode empfindlich auf FEL und Laser-Impulse und eine Reihe Ankunftszeit Monitor (BAM)23,24 oder “Timing-Tool”25,26,27 erforderlich sind, von denen alle sind in der Regel in der Pumpe-Sonde Endstation integriert oder werden zur Verfügung gestellt durch die FEL-Anlage, wenn vor dem Experiment angefordert. Schließlich übernimmt der Schuss für Schuss Jitter-Korrektur, dass die experimentelle Daten aufgezeichnet und auf einen Schlag für Schlag-Basis zugänglich und verknüpfte zu den Schuss für Schuss-Messungen des Jitters Haufen Ankunftszeit Zeit mithilfe einer einzigartigen “Haufen ID” oder durch ein anderes entsprechende Regelung.
FLASH sind die spezifischen Systeme, die entscheidend für Pumpe-Sonde Experimente sind:
Ähnliche Systeme gibt es bei anderen FEL-Anlagen und sind entscheidend für eine zuverlässige Pumpe-Sonde Experiment durchführen.
Aufgrund der Komplexität der die Versuchsaufbauten, Pumpe-Sonde Experimente mit freie-Elektronen-Lasern erfordern ein hohes Maß an Kompetenz und Erfahrung und bedarf sorgfältiger Vorbereitung und ausführliche Gespräche mit den wissenschaftlichen teams, arbeiten die Freie-Elektronen-Laser, der optischen Laser und der Endstation, sowohl vor als auch während des Experiments. Während der Durchführung der eigentlichen Experiment, genaue Bestimmung der räumlichen und zeitlichen Überschneidungen nahe Überwachung alle Diagnostik und timing-Systeme, wie beschrieben in diesem Protokoll sind unerlässlich.
Beachten Sie, dass die meisten der hier beschriebenen Methoden nur anwendbar für vielfältige spezifische Photon Energie die FEL da beide Effekte verwenden, die stark von der Photonenenergie abhängen. Zum Beispiel die Bestimmung der “groben” zeitliche Überlappung mit Streulicht gerichtet auf eine Fotodiode erwies sich als gut für photonenenergien arbeiten bis zu ~ 250 eV. Bei höheren photonenenergien wird das Signal durch die FEL-Impulse erzeugt so klein, dass es schwer zu erkennen ist. In diesem Fall eine offene SMA-Kabel, das ganz in der Nähe (weniger als einen Millimeter) kann, oder sogar in den FEL-Strahl gebracht werden erwies sich ein zuverlässiger Signal, das in Schritt 3.1 beschriebenen Verfahren durchzuführen) des Protokolls. In ähnlicher Weise das beste Ziel für die Bestimmung des “feinen” Zeitpunkts beschrieben Schritt 3.2), ist stark abhängig von der Photonenenergie. Für FEL Impulse in den XUV und weiche Röntgen-Bereich oberhalb 65,7 eV und ~ 57 eV-Photonen-Energie (entsprechend den 4d Ionisation Schwellen in Xenon und CH3I, beziehungsweise), Xe und CH3ich erwiesen sich geeignete Ziele für das Verfahren im Schritt 3.2 beschrieben. Die Methode mit CH3ich fand Arbeit für photonenenergien bis 2 keV (oben, es hat noch nicht getestet), während die Methode mit Xe getestet bis 250 eV. Für photonenenergien unter 50 eV kann die Anleihe Erweichung Prozess in H2 gebrauchte19sein. Bei photonenenergien über 400 eV ist ein ähnlicher Prozess in N2 auch geeignet20. Alternative Ansätze beziehen die Änderung im Reflexionsvermögen von einer festen Probe25,26,30 oder die Bildung von Seitenbänder in der Photoelektronen Spektrum31,32.
Um optimale zeitliche Auflösung ist es notwendig, die experimentellen Daten auf Tagesbasis Schuss für Schuss in der Datenanalyse zum Ausgleich des Ankunft Zeit Jitters zwischen der FEL und die optische Laserpulse zu sortieren, wie in Schritt 5 beschrieben. Allerdings hängt die Qualität der Pumpe-Sonde Daten und insbesondere die erreichbare Zeitauflösung stark auf die Leistung der FEL während des Experiments und Pulsdauern der optischen Laserimpulse und der FEL-Impulse, die zur Verfügung gestellt werden können Während dieser Zeit. Für die beispielhafte Daten hier gezeigt die Impulsdauer der UV Impulse wurden schätzungsweise 150 fs (FWHM) und die Impulsdauer FEL war schätzungsweise 120 fs (FWHM). Obwohl die totale Ankunft Zeit-Jitter von ca. 90 fs (rms) bevor Jitter-Korrektur auf ca. 27 fs (rms) mit dem Verfahren reduziert werden könnte hier12, die daraus resultierende Verbesserung der Gesamt Zeitauflösung von beschrieben die Experiment war wegen der relativ langen Pulsdauern der FEL und der optischen Laser eher klein. Beide können jedoch erheblich reduziert werden, wobei die Auswirkungen der Jitter-Korrektur-System werden bedeutsamer. Beispielsweise wird ein neue optische Laser derzeit installiert bei Blitz, die eine Impulsdauer (in der Nah-Infrarot) muss unter 15 fs, während neue FEL-Operation, die Modi auch getestet werden, die FEL Impulse mit Pulsdauern von wenigen Femtosekunden produzieren können oder sogar unten. Diese Entwicklungen werden bald Pumpe-Sonde Experimente Kombination von FEL und optische Laserpulse mit einer insgesamt zeitliche Auflösung von nur ein paar Dutzend Femtosekunden ermöglichen.
Während die zunehmende Verfügbarkeit von kurzen und intensiven XUV und Röntgen-Impulse von FELs produziert eine Reihe von NIR/UV – gelaicht hat XUV Pumpe-Sonde wie die hier beschriebenen Experimente, ähnliche Pumpe-Sonde Experimente auch mit hohen harmonischen Generation durchgeführt werden kann (HHG) Quellen33,34,35. Die wichtigste Einschränkung der FEL-basierten Experimente ist in der Regel die erreichbare Zeitauflösung, die grundsätzlich begrenzt durch die Synchronisation zwischen der FEL und der optischen Laser oder durch die Präzision ist mit denen die Relative timing zwischen der Pumpe und der Sonde Impulse sind messbar. Dies ist nicht der Fall für eine HHG Pumpe-Sonde experiment, wo die XUV und NIR Impulse untrennbar mit Sub-Zyklus Präzision synchronisiert sind und die daher in der Regel eine viel höhere zeitliche Auflösung haben können. Der große Vorteil der FEL-basierten Experimente, auf der anderen Seite ist der mehrere Größenordnungen höhere Photon Fluence, die Experimente, z.B.ermöglicht., weiter verdünnen Sie Ziele, die mit Stromquellen HHG nicht durchführbar sind vor allem bei höheren photonenenergien in das weiche Röntgen-Regime. Für die absehbare Zukunft bleibt Pumpe-Sonde Experimente mit FELs und HHG daher ergänzende, mit Überschneidungen im Großraum XUV wo beide für ähnliche Untersuchungen verwendet werden können. Einige der Schritte, um diese Experimente sind auch ähnlich, und einige der hier beschriebenen Methoden kann daher auch für HHG-basierte Pumpe-Sonde Experimente angewendet werden.
The authors have nothing to disclose.
Die Autoren danken 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 Land-, pro 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 und Melanie Schnell, wer die Flash-Strahlzeit teilgenommen, in denen die spezifischen Daten gezeigt und diskutiert hier erworben wurden und wer dazu beigetragen, die Analyse und Interpretation. Die Arbeit der wissenschaftlichen und technischen Teams von FLASH, die das Experiment möglich gemacht haben, ist auch dankbar anerkannt. D.r. räumt Unterstützung von Chemie, Geowissenschaften, und Biowissenschaften Division, Office Basic Energiewissenschaften, Office of Science, U.S. Department of Energy, Grant Nr. DE-FG02-86ER13491. Die Experimente am Blitz wurden auch von der Helmholtz-Gemeinschaft über das Helmholtz Young Investigator-Programm unterstützt. Wir anerkennen die Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Entwicklung und Inbetriebnahme der CAMP Ende-Station innerhalb der Max Planck Advanced Study Group am CFEL und für die Bereitstellung dieses Geräts für CAMP@FLASH. Die Installation des CAMP@FLASH war teilweise finanziert durch das BMBF Zuschüsse 05K10KT2, 05K13KT2, 05K16KT3 und 05K10KTB von 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 |