Messung der ultraschnellen Schwingungs Zusammenhänge in polyatomaren radikale kationen mit Strong-Feld adiabatische Ionisation
Summary
Wir präsentieren Ihnen ein Protokoll zum Sondieren ultraschnelle Schwingungs Zusammenhänge in polyatomaren radikale kationen, die molekulare Dissoziation führen.
Abstract
Wir präsentieren eine Pumpe-Probe-Methode für die Vorbereitung Schwingungs Zusammenhänge in polyatomaren radikal-kationen und Sondieren ihre ultraschnelle Dynamik. Durch die Verlagerung der Wellenlänge des starken Feldes ionisierende Pump-Puls von der gängigen 800 nm in der Nah-Infrarot (1200-1600 nm), der Beitrag der adiabatischen Elektronen Tunneln auf der Ionisierung erhöht im Vergleich zu multiphoton Absorption. Adiabatische Ionisation führt vorherrschende Bevölkerung von elektronischen Grundzustand des Ions bei Elektron entfernen, die effektiv eine kohärente Schwingungszustand (“Wellenpaket”) offen für spätere Erregung vorbereitet. In unseren Experimenten die kohärente Schwingungs Dynamik sind mit einem schwachen Feld 800 nm Impuls sondiert und die zeitabhängige Erträge der Dissoziation Produkte in einem Time-of-Flight-Massenspektrometer gemessen. Wir präsentieren die Messungen auf das Molekül Dimethyl Methylphosphonate (DMMP) zu veranschaulichen, wie 1500 nm Impulse zur Anregung die Amplitude der kohärenten Schwingungen Mobilitätsdienste in Ion Erträge um den Faktor 10 im Vergleich zu 800 nm Impulse. Dieses Protokoll kann in vorhandene Pumpe-Sonde-Setups durch den Einbau eines optischen parametrischen Verstärkers (OPA) für die Wellenlänge Konvertierung durchgeführt werden.
Introduction
Seit der Erfindung des Lasers in den 60er Jahren war das Ziel der chemischen Bindungen in Molekülen selektiv zu brechen ein langjähriger Traum von Chemikern und Physikern. Die Fähigkeit, stimmen beide laser-Frequenz und Intensität wurde geglaubt, um direkte Spaltung einer Ziel-Anleihe durch selektive Energie-Absorption auf die zugehörigen Schwingungsfrequenz1,2,3,4 aktivieren . Jedoch festgestellt frühe Experimente, dass nicht-selektiven Spaltung der schwächsten Bond4,5Intramolekulare Schwingungs Umverteilung der absorbierten Energie in das Molekül oft führte. Es war nicht bis die Entwicklung von Femtosekunden Laser gepulste und die Pumpe-Sonde Technik6 in den späten 1980er Jahren die direkte Manipulation von kohärenten Schwingungs Staaten oder “Wellenpakete” erfolgreiche Kontrolle über Bindung Spaltung und andere aktiviert Ziele6,7,8. Pumpe-Sonde Messungen, wobei die “Pump”-Puls bereitet einen angeregten Zustand oder Ionen, die anschließend durch eine zeitversetzte “Sonde” Puls angeregt wird, bleiben eine der am häufigsten verwendeten Techniken zur Untersuchung ultraschneller Prozesse in Molekülen9, 10,11,12,13,14,15,16,17,18, 19,20.
Eine erhebliche Einschränkung für das Studium der ultraschnellen Dissoziation entsteht Dynamik von polyatomaren radikal-kationen mit Pumpe-Sonde Erregung gekoppelt mit massenspektrometrischer Detektion von obstructions Fragmentierung des Zielmoleküls durch die ionisierende Pumpe Puls bei Exklusivrepräsentation Wellenlänge von 800 nm21,22,23. Diese übermäßige Fragmentierung resultiert aus nichtadiabatischen multiphoton Ionisation und durch die Verlagerung der Erregung Wellenlänge in der Nah-Infrarot-abgeschwächt werden können (zB., 1200-1500 nm)22,23,24, 25. Bei diesen längeren Wellenlängen, der Beitrag der adiabatischen Elektron tunneling erhöht im Vergleich zu multiphoton Erregung in die Ionisation Prozess22,23. Adiabatische Tunnelbau vermittelt wenig überschüssige Energie auf das Molekül und Formen überwiegend “kalt” Grundzustand Molekulare Ionen19,22,23. Unsere bisherige Arbeit hat gezeigt, dass die Verwendung von Nah-Infrarot-Erregung deutlich die Vorbereitung der kohärenten Schwingungs Erregungen oder “Wellenpakete” in polyatomaren radikale kationen verglichen mit 800 nm Anregung19verbessert, 20. Diese Arbeit veranschaulichen den Unterschied zwischen starken Feld-Ionisation dominiert multiphoton und tunneling Beiträge mit Pumpe-Sonde Messungen auf die chemische Kriegsführung Agent Simulanzlösemittel Dimethyl Methylphosphonate (DMMP) mit 1500 nm und 800 nm Pumpe Wellenlängen.
In unseren Experimenten Pumpe-Sonde ist ein paar von ultrakurzen Laserpulsen zeitverzögert, rekombinierte und konzentriert in einem Time-of-Flight-Massenspektrometer, wie in unserer Einrichtung in Abbildung 1dargestellt. Diese Experimente erfordern eine Exklusivrepräsentation regenerative Verstärker produziert > 2 mJ, 800 nm, 30 fs Hülsenfrüchte. Der verstärkerausgang ist aufgeteilt auf einen Strahlteiler 90: 10 (R: %T %), wo die meiste Energie wird verwendet, um einen optischen parametrischen Verstärker (OPA) Pumpen zur Erzeugung von 1200-1600 nm, 100-300 µJ, 20-30 fs Hülsenfrüchte. Der Durchmesser der IR-Strahl Pumpe wird auf 22 mm und einem Durchmesser von 800 nm Sonde Strahl nach unten bis zu 5,5 mm und entkernt mit einer Iris kollimierten erweitert. Diese Collimations führen die Pumpe Strahl Fokussierung auf eine deutlich kleinere Balken Taille (9 µm) als der Sonde Strahl (30 µm), dadurch sicherzustellen, dass alle Ionen gebildet während der ionisierenden Pump-Puls von der zeitlich verzögerten prob-Puls begeistert sind. Diese Konfiguration wird verwendet, weil das Ziel unserer Experimente ist es, die Dynamik von der übergeordneten molekularen Ion, Sonde, die auch bei geringeren Intensitäten am Rand der fokussierten Strahl gebildet werden kann. Wir stellen fest, dass wenn die Dynamik der mehr-angeregten Ionischen Spezies von Interesse sind, dann der Sonde Durchmesser kleiner als die der Pumpe erfolgen soll.
Die Pumpe und Sonde Impulse so propagieren und orientieren uns in der Extraktion-Region von einem Wiley-McLaren Time-of-Flight-Massenspektrometer (TOF-MS)26 (Abbildung 2). Molekulare Muster gelegt in ein Fläschchen mit dem Einlass befestigt und geöffnet, um das Vakuum. Dieses Setup erfordert, dass das Molekül in Untersuchung einen ungleich NULL Dampfdruck haben; für Moleküle mit niedrigem Dampfdruck kann das Fläschchen geheizt werden. Die Strömung von gasförmigen Proben in der Kammer wird durch zwei Variablen Leck Ventile gesteuert. Die Probe betritt die Kammer durch ein 1/16″ Edelstahl-Rohr ca. 1 cm Abstand der Laserfokus (Abbildung 2) um eine lokal hohe Konzentration des Zielmoleküls liefern in der Extraktion Region27. Die Extraktion-Platte hat einen 0,5 mm Schlitz orientierte orthogonal zur Laser Ausbreitung und Ionen-Pfade. Weil der Rayleigh-Bereich des Balkens Pumpe ca. 2 mm ist, dient dieser Schlitz als Filter, so dass nur Ionen erzeugt aus dem zentralen fokalen Volumen wo die Intensität der Extraktion Platte28passieren höchsten ist. Die Ionen geben Sie eine 1 m Feldfreien Drift Röhre um die Z-Lücke micro Channel Plate (MCP) Detektor29, zu erreichen, wo sie entdeckt und mit einem 1 GHz digital Oszilloskop bei 1kHz-Wiederholrate der typischen kommerziellen Exklusivrepräsentation Laser erfasst.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dieses Protokoll ermöglicht es uns, ultraschnelle Schwingungs Dynamik in polyatomaren radikale kationen durch gezielte Vorbereitung der Ionen im elektronischen Grundzustand zu beheben. Während das standard starkes Feld-Ionisation-Verfahren mit 800 nm bereiten Schwingungs Zusammenhänge im Boden-elektronischen Zustand radikal Kationen der ersten Reihe Diatomics10,11,12,13 und CO 2 <…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von der US Army Research Office durch Vertrag W911NF-18-1-0051 unterstützt.
Materials
| Mass spectrometer components | |||
| TOF lens stack and flight tube assembly | Jordan TOF Products, Inc. | C-677 | |
| 18 mm Z-gap detector assembly | Jordan TOF Products, Inc. | C-701Z | |
| TOF high voltage power supply | Jordan TOF Products, Inc. | D-603 | |
| Vacuum system components | |||
| Rotary vane backing pump | Edwards Vacuum LLC | RV12 | |
| Turbomolecular pumps (2) | Edwards Vacuum LLC | EXT255H | |
| Turbomolecular pump controllers (2) | Edwards Vacuum LLC | EXC300 | |
| Pressure gauge | Edwards Vacuum LLC | AIGX-S-DN40CF | |
| Chiller for water cooling | Neslab | CFT-25 | |
| Femtosecond laser system | |||
| Ti:Sapphire regenerative amplifier | Coherent, Inc. | Astrella | oscillator and amplifier in a single integrated system |
| Optical Parametric Amplifer (OPA) | Light Conversion | TOPAS Prime | |
| Motion control | |||
| Motorized linear translation stage 1" travel | Thorlabs | Z825B | |
| controller for linear translation stage | Thorlabs | KDC 101 | |
| USB controller hub and power supply | Thorlabs | KCH 601 | |
| Manual linear translation stage 1" travel | Thorlabs | PT1 | |
| Detectors | |||
| Pyroelectric laser energy meter | Coherent, Inc. | 1168337 | |
| Thermal laser power meter | Coherent, Inc. | 5356E16R | |
| Si-biased detector 200-1100 nm | Thorlabs | DET10A | |
| Compact USB CMOS Camera | Thorlabs | DCC1545M | |
| USB spectrometer | Ocean Optics | HR4000 | |
| 1 GHz digital oscilloscope | LeCroy | WaveRunner 610Zi | |
| Optics | |||
| Type 1 BBO crystal | Crylight Photonics | BBO007 | aperture and thickness may be customized |
| Achromatic half wave plate, 1100-2000 nm | Thorlabs | AHWP05M-1600 | |
| Wollaston prism polarizer | Thorlabs | WPM10 | |
| Hollow retro-reflector | PLX, Inc. | OW-20-1C | |
| Variable neutral density filter | Thorlabs | NDC-100C-2 | |
| Longpass dichroic mirror 2" diameter | Thorlabs | DMLP950L | |
| Software | |||
| Digital Camera image software | Thorlabs | ThorCam | |
| Instrument communication interface | National Instruments | NI-MAX | |
| Graphical development environment for measurement programs | National Instruments | LabVIEW | |
| Data processing software | Mathworks | MATLAB |
References
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