Este protocolo descreve as principais etapas para executar e analisar experimentos de bomba-sonda combinando femtosecond laser óptico com um laser de elétrons livres para estudar reações fotoquímicas ultra rápidas em moléculas da fase gasosa.
Este protocolo descreve etapas chaves na execução e análise de experimentos de bomba-sonda de femtossegundo que combinam femtosecond laser óptico com um laser de elétrons livres. Isto inclui métodos para estabelecer que a espacial e temporal de sobreposição entre os pulsos de laser óptico e elétrons livres durante o experimento, bem como aspectos importantes da análise dos dados, tais como correcções para variação do tempo de chegada, que são necessários para obter conjuntos de dados bomba-sonda de alta qualidade com a melhor resolução temporal possível. Esses métodos são demonstrados para uma experiência exemplar realizada para o laser de elétrons livres de FLASH (Hamburgo LASer de elétrons livres), a fim de estudar fotoquímica ultra rápida em moléculas da fase gasosa através da imagem latente de íon de mapa de velocidade. No entanto, a maioria das estratégias também é aplicável aos experimentos semelhantes de bomba-sonda usando outros alvos ou outras técnicas experimentais.
A disponibilidade de raio-x pulsos de laser de elétrons livres (FELs)1,2 e curta e intensa extrema ultravioleta (XUV) abriu novas oportunidades para experimentos de bomba-sonda de femtossegundo explorando o local – e elemento-especificidade do processo interno-escudo foto-absorção3,4,5,6. Tais experiências podem ser usadas, por exemplo, para investigar a dinâmica molecular e cobrar a transferência se processa em líquidos7 e gasoso as moléculas8,9,10,11 , 12, e para observações em tempo real de reações catalíticas e ultra rápida de superfície química13,14 , com uma resolução temporal de 100 femtoseconds ou abaixo. Se o experimento de bomba-sonda é executado através da combinação de um laser de femtosecond óptico sincronizado com o FEL, que foi o caso em todos os exemplos mencionados acima, a intrínseca tremulação de chegada-tempo entre os pulsos FEL e o laser óptico tem que ser medida em uma base de cena por cena, corrigida na análise dos dados, a fim de alcançar a melhor resolução temporal possível.
Dentro de uma grande colaboração, vários experimentos de bomba-sonda laser de óptica com um laser de elétrons livres foram recentemente realizados9,10,11,12, ambos no FLASH XUV FEL15 ,16 e as instalações de17 LCLS FEL de raio-x e um protocolo experimental para executar e analisar estas experiências foi desenvolvido, que é apresentado a seguir. O método é demonstrado por uma experiência exemplar realizada para o FLASH laser de elétrons livres, a fim de estudar fotoquímica ultra rápida em moléculas da fase gasosa através da velocidade mapa íon imagem11,12. No entanto, a maioria das estratégias é também aplicáveis aos experimentos semelhantes de bomba-sonda usando outros alvos ou outras técnicas experimentais e também pode ser adaptada a outras facilidades FEL. Enquanto algumas das etapas individuais aqui apresentaram ou variações disso já foram discutidas na literatura18,19,20, este protocolo fornece uma descrição abrangente das principais etapas, incluindo alguns que aproveitam as mais recentes melhorias técnicas na sincronização e o diagnóstico de sincronismo, que têm melhorado consideravelmente a estabilidade e a resolução temporal para bomba-sonda experimentos12, 21.
O protocolo seguinte assume uma bomba-sonda-estação final, tais como o instrumento acampamento no FLASH22, equipado com um íon de tempo-de-voo, uma imagem do impulso de íon ou um mapa de velocidade de imagem espectrômetro de íons (VMI); um jato de gás efusivo ou supersônico; e um sincronizado infravermelho próximo (NIR) ou ultravioleta (UV) femtosecond laser, cujos pulsos podem ser sobrepostos collinearly ou perto-collinearly com o feixe de laser de elétrons livres, como esboçado esquematicamente na Figura 1. Além disso, um conjunto apropriado de diagnósticos de ferramentas tais como uma tela de visualização do feixe removível (ex. uma raquete revestida com pó Ce:YAG ou um Ce:YAG fino cristal) na região de interação, um rápido fotodiodo sensível a impulsos tanto FEL e laser e um monte hora de chegada monitor (BAM)23,24 ou “ferramenta de sincronismo”25,26,27 são necessários, os quais são geralmente integrados na estação final da bomba-sonda ou são fornecidos pela facilidade de FEL, se solicitado antes do experimento. Finalmente, a correção de jitter de cena por cena pressupõe que os dados experimentais são gravado e acessíveis numa base de cena por cena e vinculado para as medições de cena por cena da tremulação de tempo de tempo de chegada do bando, usando um único “bando de ID” ou por outro esquema equivalente.
No FLASH, os sistemas específicos que são cruciais para experimentos de bomba-sonda são:
Sistemas similares estão disponíveis em outras instalações FEL e são cruciais para a realização de um experimento de bomba-sonda confiável.
Devido à complexidade de configurações as experimentais, experimentos de bomba-sonda com lasers de elétrons livres exigem um elevado nível de conhecimentos e experiência e necessidade de muito cuidadosa, preparação e discussões detalhadas com a científica equipes que operam os laser de elétrons livres, o laser óptico e a estação final, antes e durante o experimento. Ao realizar a experiência, determinação precisa de sobreposição espacial e temporal perto de todos os diagnósticos e monitoramento cronometrando sistemas, conforme descrito no presente protocolo, são essenciais.
Note que a maioria dos métodos descritos aqui só são aplicáveis para uma escala de energia de fótons específicos do FEL desde que eles contam com efeitos que dependem fortemente da energia do fóton. Por exemplo, a determinação da sobreposição temporal “áspera” usando luz dispersa dirigido em um fotodíodo foi encontrada para funcionar bem para as energias do fóton até ~ 250 eV. Energias superiores do fóton, o sinal gerado pelos pulsos de FEL se torna tão pequeno que é difícil de detectar. Nesse caso, verificou-se um cabo SMA em aberto que pode ser trazido muito perto (menos de um milímetro) para ou até mesmo para o feixe FEL para produzir um sinal mais confiável para executar o procedimento descrito no passo 3.1) do protocolo. Da mesma forma, o melhor alvo para determinar o momento de “bem”, descrito no passo 3.2), é fortemente dependente da energia do fóton. Para pulsos de FEL na região de raios-x mole acima 65,7 eV e eV ~ 57 energia do photon (correspondente os 4 limites de ionização ded do xenon e CH3, respectivamente), Xe e CH3e XUV eu foram encontrados para ser alvos adequados para o procedimento passo descrito em 3.2. O método usando o CH3, que foi encontrado para trabalhar para as energias do fóton até 2 keV (acima do qual não tenha ainda sido testado), enquanto o método usando o Xe foi testado até 250 eV. Para energias de fótons abaixo 50 eV, o laço, suavizando o processo em H2 pode ser usado19. A energias de fótons acima de 400 eV, um processo semelhante em N2 é também adequado20. Abordagens alternativas envolvem as mudanças na refletividade de uma amostra sólida25,26,30 ou a formação de faixas laterais no espectro de fotoelétron31,32.
Para atingir a melhor resolução temporal, é necessário classificar os dados experimentais em uma base de cena por cena, na análise dos dados, para compensar a variação de tempo de chegada entre o FEL e os pulsos de laser óptico, conforme descrito na etapa 5. No entanto, a qualidade dos dados da bomba-sonda e, em especial, a resolução temporal possível, depende fortemente do desempenho do FEL durante o experimento e as durações de pulso dos pulsos de laser óptico e os pulsos de FEL que podem ser fornecidos durante esse tempo. Para os dados exemplares mostrados aqui, a duração do pulso dos pulsos UV foi estimada em 150 fs (FWHM) e a duração do pulso FEL foi estimada em 120 fs (FWHM). Embora o tempo de chegada total-jitter de aproximadamente 90 fs (rms) antes de correção de jitter pode ser reduzida a aproximadamente 27 fs (rms) usando o procedimento descrito aqui12, a melhoria resultante da resolução temporal total do experimento foi bastante reduzido devido as durações de pulso relativamente longo do FEL e o laser óptico. Ambos podem, no entanto, ser reduzidos substancialmente, caso em que o impacto do regime de correção de distorção será mais significativos. Por exemplo, um novo laser óptico está sendo instalado em FLASH, que terá uma duração de pulso (o infravermelho) abaixo de fs 15, enquanto a nova operação de FEL modos também estão sendo testados que pode produzir pulsos de FEL com durações de pulso de alguns femtoseconds ou mesmo abaixo. Estes desenvolvimentos em breve irão permitir experiências de bomba-sonda combinando FEL e pulsos de laser óptico com uma resolução global temporal de apenas algumas dezenas de femtoseconds.
Enquanto o aumento da disponibilidade de curtos e intensos pulsos XUV e raio-x produzido por FELs tem gerado um número de NIR/UV – XUV bomba-sonda experiências tais como essa descrita aqui, experimentos de bomba-sonda semelhantes também podem ser realizados com alta geração de harmônica (HHG) fontes de33,34,35. A principal limitação dos experimentos baseados em FEL é tipicamente a resolução temporal realizável, que é fundamentalmente limitada pela sincronização entre o FEL e o laser ótico ou a precisão com que o relativo sincronismo entre a bomba e o sonda de pulsos podem ser medidos. Isto não é o caso, para experimentar uma bomba baseada em HHG-sonda, onde os pulsos XUV e NIR intrinsecamente são sincronizados com precisão do ciclo secundário e que em geral, portanto, pode ter uma muito maior resolução temporal. A principal vantagem dos experimentos baseados em FEL, por outro lado, é várias ordens de magnitude maior fóton fluência, que permite experimentos, por exemplo., em diluir a destinos que não são ser viável com fontes atuais de HHG, especialmente no maior energias de fótons em regime de raios-x mole. Num futuro previsível, experimentos de bomba-sonda com FELs e HHG permanecerá, portanto, complementares, com alguma sobreposição na região XUV onde ambos podem ser usados para investigações semelhantes. Algumas das etapas para realizar essas experiências também são semelhantes, e alguns dos métodos descritos aqui, portanto, também podem ser aplicado para experimentos baseados em HHG bomba-sonda.
The authors have nothing to disclose.
Os autores agradecer 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, por 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 e Melanie Schnell, que participou o FLASH beamtime, durante a qual foram adquiridos os dados específicos mostrado e discutido aqui e que contribuíram para a análise e interpretação. O trabalho das equipes científicas e técnicas no FLASH, que fizeram a experiência possível, é reconhecido também com gratidão. D.R. reconhece apoio de ciências químicas, Geociências e Biosciences Division, escritório de ciências básicas de energia, escritório de ciência, departamento de energia dos EUA, Grant no. DE-FG02-86ER13491. Os experimentos no FLASH também apoiaram o Gemeinschaft de Helmholtz através do programa de investigador de Young de Helmholtz. Reconhecemos que a sociedade Max Planck para o financiamento do desenvolvimento e a operação inicial da estação campo final dentro do Max Planck avançados grupo de estudo em CFEL e por fornecer este equipamento para CAMP@FLASH. A instalação do CAMP@FLASH foi parcialmente financiada pelo BMBF subsídios 05K10KT2, 05K13KT2, 05K16KT3 e 05K10KTB da 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 |