Измерение сверхскоростной колебательных когерентности в многоатомных радикальной катионов с адиабатической ионизации Стронг поле
Summary
Мы представляем протокол для зондирования сверхскоростной колебательных когерентности в многоатомных радикальной катионы, которые приводят к молекулярной диссоциации.
Abstract
Мы представляем насоса зонда метод подготовки колебательных когерентности в многоатомных катионов радикальные и зондирование их сверхскоростной динамику. Переключив волны сильного поля импульсного ионизирующего насос от широко используемых 800 Нм в ближней ИК-области (1200-1600 нм), вклад адиабатического электрона, туннелирование в процесс ионизации увеличивается по отношению к multiphoton поглощения. Адиабатический ионизации приводит преобладающее население земли электронные состояния иона после удаления электронов, который эффективно готовит последовательной колебательных государства («волновой пакет») поддаются последующих возбуждения. В наших экспериментах последовательной колебательной динамики проверяются с слабого поля импульса 800 Нм и время зависимых урожайности диссоциации продуктов измеряется в масс-спектрометр времени полета. Мы представляем измерений на молекулы диметил methylphosphonate (ТИПАМИ), чтобы проиллюстрировать, как с помощью импульсов 1500 Нм для возбуждения повышает амплитуда колебаний последовательной Ион урожайности на коэффициент 10 по сравнению с 800 Нм импульсов. Этот протокол может быть реализован в существующих установок насос зонд путем включения оптический параметрический усилитель (OPA) для преобразования длины волны.
Introduction
С момента изобретения лазера в 1960-х цель выборочно разорвать химических связей в молекулах был давней мечтой химики и физики. Возможность настроить оба лазерные частоты и интенсивности считалось для включения прямого расщепления целевых облигаций путем селективного энергии поглощения на связанные колебательные частоты1,2,3,4 . Однако ранних экспериментов установлено, что внутримолекулярной колебательных перераспределения поглощенной энергии всей молекулы часто привели к неизбирательной расщепления слабых Бонд4,5. Он не был до развития Фемтосекундный импульсных лазеров и техника насос зонд6 в конце 1980-х годов, что прямые манипуляции когерентных колебательных состояний, или «волновых пакетов», позволило успешный контроль над Бонд расщепления и других 7,6,цели8. Насос зонда измерения, котором пульс «насос» готовит возбужденное состояние или Ион, который впоследствии возбужденных по пульсу несвоевременные «зонд», остаются одним из наиболее широко используемых методов для изучения сверхбыстрые процессы в молекулы9, 10,11,12,13,14,,1516,,1718, 19,20.
Существенное ограничение изучать сверхбыстрые диссоциации, динамика многоатомных радикальной катионов, с помощью насоса зонд возбуждения, в сочетании с масс-спектрометрических обнаружения возникает от неселективных фрагментации молекулы целевых ионизирующего насосом Пульс на Ti: Sapphire волны 800 Нм21,,22–23. Этот избыток Фрагментация приводит к от неадиабатическая multiphoton ионизации и может быть смягчена путем переносить длины волны возбуждения в ближней ИК-области (например., 1200-1500 Нм)22,23,24, 25. В этих более длинах волн, вклад адиабатического электрона туннелирования увеличивается по отношению к multiphoton возбуждения в22,процесс ионизации23. Адиабатический туннелирование придает мало избыток энергии на молекулы и форм преимущественно «холодный» основного состояния молекулярных ионов19,22,23. Наша Предыдущая работа продемонстрировала, что использование ближней ИК-области спектра возбуждения значительно улучшает в подготовке согласованного колебательных возбуждений, или «волновых пакетов», в многоатомных катионов радикальные по сравнению с 800 Нм возбуждения19, 20. Эта работа будет проиллюстрировать разницу между сильное поле ионизации доминируют multiphoton и туннелирования взносов с насос зонд измерений на химического агента simulant диметил methylphosphonate (ТИПАМИ) с использованием 1500 Нм и 800 Нм насос длин волн.
В наших экспериментах насос зонд пара ультракоротких лазерных импульсов времени задержки, Рекомбинированные и сосредоточены во время полета масс-спектрометр, как показано в нашей установки на рисунке 1. Эти эксперименты требуют Ti: Sapphire регенеративной усилитель производства > 2 МДж, 800 Нм, 30 fs импульсов. Выход усилителя делится на splitter луча цвету (% R: %T), где большая часть энергии используется для насоса оптический параметрический усилитель (OPA) для генерации 1200-1600 нм, 100-300 µJ, 20-30 fs импульсов. Диаметр пучка насос ИК расширяется до 22 мм и диаметр 800 Нм зонд луча вниз коллимированного 5,5 мм и порошковая с помощью диафрагмы. Эти инструментовали привести насос фокусировки луча к значительно меньше луч талии (9 мкм) чем зонд пучка (30 мкм), тем самым гарантируя, что все ионов, образующихся импульсного ионизирующего насос возбуждаются несвоевременные датчика пульса. Эта конфигурация используется, потому что цель наших экспериментов, чтобы исследовать динамику родительского Молекулярный ион, который может быть сформирован даже при более низких интенсивности по краям фокусированный луч. Мы отмечаем, что если динамика более высоко возбужденных ионных видов представляют интерес, то луч диаметром зонда следует меньше, чем у насоса.
Насоса и датчика импульсов распространять collinearly и сосредоточены в регионе добычи Wiley-McLaren время полета масс-спектрометр (TOF-МС)26 (рис. 2). Молекулярные образцы помещены в пузырек при входе и открыт для вакуума. Для этой установки требуется молекуле под следствием имеют ненулевой давление паров; для молекул с низким давлением пара пузырек может быть нагрета. Поток газообразных образца в камеру контролируется двумя клапанами переменной утечки. Образец входит камеры через 1/16″ из нержавеющей стали труба около 1 см от лазерный фокус (рис. 2) для того, чтобы доставить локально высокой концентрации целевых молекулы в добыче региона27. Извлечения пластина имеет 0,5 мм разрез ориентированных ортогонально к пути распространения и Ион лазера. Потому что Рэлея диапазон луча насос примерно 2 мм, эта щель служит фильтром, позволяя только ионы создаются из Центральной фокуса тома, где интенсивность высоким пройти через пластины извлечения28. Ионы введите поле свободный дрейф трубки 1 м до Z-разрыв микро канал пластины (MCP) детектор29, где они обнаружены и записал с 1 GHz цифровой осциллограф в размере 1 кГц повторение типичных коммерческих спектрометр.
Protocol
Representative Results
Discussion
Этот протокол позволяет нам решать сверхскоростной колебательной динамики в многоатомных радикальной катионов путем селективного подготовки ионов в электронные государственные земли. Хотя стандартные сильное поле ионизации процедура с использованием 800 Нм можно подготовить колеба…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Управлением исследований армии США через контракт W911NF-18-1-0051.
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 |
Referências
- Letokhov, V. S. Photophysics and Photochemistry. Physics Today. 30 (5), 23-32 (1977).
- Bloembergen, N., Yablonovitch, E. Infrared laser induced unimolecular reactions. Physics Today. 31 (5), 23-30 (1978).
- Zewail, A. H. Laser selective chemistry-is it possible?. Physics Today. 33 (11), 25-33 (1980).
- Brif, C., Chakrabarti, R. L., Rabitz, H. Control of quantum phenomena: past, present and future. New Journal of Physics. 12, 075008 (2010).
- Bloembergen, N., Zewail, A. H. Energy redistribution and the question of mode selective laser chemistry revisited. The Journal of Physical Chemistry. 88 (23), 5459-5465 (1984).
- Rosker, M. J., Dantus, M., Zewail, A. H. Femtosecond real-time probing of reactions. I. The technique. The Journal of Chemical Physics. 89 (10), 6113-6127 (1988).
- Zewail, A. H. Femtochemistry: Recent progress in studies of dynamics and control of reaction and their transition states. The Journal of Physical Chemistry. 100 (31), 12701-12724 (1996).
- Warren, W. S., Rabitz, H., Dahleh, M. Coherent Control of Quantum Dynamics: The Dream Is Alive. Science. 259 (5101), 1581-1589 (2003).
- Kosma, K., Trushin, S. A., Fuß, W., Schmid, E. E. Cyclohexadiene ring opening observed with 13 fs resolution: coherent oscillations confirm the reaction path. Physical Chemistry Chemical Physics. 11 (1), 172-181 (2009).
- De, S., Magrakvelidze, M., Bocharova, I. A., Ray, D., Cao, W., Znakovskaya, I., Li, H., Wang, Z., Laurent, G., Thumm, U., Kling, M. F., Litvinyuk, I. V., Ben-Itzhak, I., Cocke, C. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Following+dynamic+nuclear+wave+packets+in+N2,+O2+and+CO+with+few-cycle+infrared+pulses.”>Following dynamic nuclear wave packets in N2, O2 and CO with few-cycle infrared pulses. Physical Review A. 84 (4), 043410 (2011).
- Bryan, W. A., McKenna, J., English, E. M. L., Wood, J., Calvert, C. R., Torres, R., Murphy, D. S., Turcu, I. C. E., Collier, J. L., McCann, J. F., Williams, I. D., Newell, W. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Isolated+vibrational+wavepackets+in+D2+:+Defining+superposition+condition+and+wavepacket+distinguishability.”>Isolated vibrational wavepackets in D2+: Defining superposition condition and wavepacket distinguishability. Physical Review A. 76 (5), 053402 (2007).
- Calvert, C., Bryan, W., Newell, W., Williams, I. Time resolved studies of ultrafast wavepacket dynamics in hydrogen molecules. Physics Reports. 491 (1), 1-28 (2010).
- Kelkensberg, F., Lefebvre, C., Siu, W., Ghafur, O., Nguyen-Dang, T. T., Atabek, O., Keller, A., Serov, V., Johnsson, P., Swoboda, M., Remetter, T., L'Huillier, A., Zherebtsov, S., Sansone, G., Benedetti, E., Ferrari, F., Nisoli, M., Lépine, F., Kling, M. F., Vrakking, M. J. J. Molecular dissociative ionization and wave-packet dynamics studied using two-color XUV and IR pump-probe spectroscopy. Physical Review Letters. 103 (12), 123005 (2009).
- Erattupuzha, S., Larimian, S., Baltuska, A., Xie, X., Kitzler, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Two-pulse+control+over+double+ionization+pathways+in+CO2.”>Two-pulse control over double ionization pathways in CO2. The Journal of Chemical Physics. 144 (2), 024306 (2016).
- Rudenko, A., Makhija, V., Vajdi, A., Ergler, T., Schurholz, M., Kushawaha, R. K., Ullrich, J., Moshammer, R., Kumarappan, V. Strong field-induced wave packet dynamics in carbon dioxide molecule. Faraday Discussions. 194, 463-478 (2016).
- Pearson, J. B., Nichols, S. R., Weinacht, T. Molecular fragmentation driven by ultrafast dynamic ionic resonances. The Journal of Chemical Physics. 127 (13), 131101 (2007).
- Bohinski, T., Tibbetts, K. M., Tarazkar, M., Romanov, D. A., Matsika, S., Levis, R. J. Strong field adiabatic ionization prepares a launch state for coherent control. The Journal of Physical Chemistry Letters. 5 (24), 4305-4309 (2014).
- Tibbetts, K. M., Tarazkar, M., Bohinski, T., Romanov, D. A., Matsika, S., Levis, R. J. Controlling the dissociation dynamics of acetophenone radical cation through excitation of ground and excited state wavepacket. The Journal of Physics B: Atomic, Molecular, and Optical Physics. 48 (16), 164002 (2015).
- Ampadu Boateng, D., Gutsev, G. L., Jena, P., Tibbetts, K. M. Ultrafast coherent vibrational dynamics dynamics in dimethyl methylphosphonate radical cation. Physical Chemistry Chemical Physics. 20 (7), 4636-4640 (2018).
- Ampadu Boateng, D., Gutsev, G. L., Jena, P., Tibbetts, K. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dissociation+dynamics+of+3-+and+4-nitrotoluene+radical+cations:+Coherently+driven+C-NO2+bond+homolysis.”>Dissociation dynamics of 3- and 4-nitrotoluene radical cations: Coherently driven C-NO2 bond homolysis. The Journal of Chemical Physics. 148 (13), 134305 (2018).
- Markevitch, A. N., Romanov, D. A., Smith, S. M., Schlegel, H. B., Ivanov, M. Y., Levis, R. J. Sequential non adiabatic excitation of large molecules and ions driven by strong laser fields. Physical Review A. 69 (1), 013401 (2004).
- Lezius, M., Blanchet, M., Rayner, D. M., Villeneuve, D. M., Stolow, A., Ivanov, M. Y. Nonadiabatic multielectron dynamics in strong field molecular ionization. Physical Review Letters. 86 (1), 51 (2001).
- Lezius, M., Blanchet, V., Ivanov, M. Y., Stolow, A. Polyatomic molecules in strong laser fields: Nonadiabatic multielectron dynamics. The Journal of Chemical Physics. 117 (4), 1575 (2002).
- Bohinski, T., Tibbetts, K. M., Tarazkar, M., Romanov, D., Matsika, S., Levis, R. J. Measurement of an electronic resonance in a ground-state, gas-phase acetophenone cation via strong-field mass spectrometry. The Journal of Physical Chemistry Letters. 4 (10), 1587-1591 (2013).
- Bohinski, T., Tibbetts, K. M., Tarazkar, M., Romanov, D., Matsika, S., Levis, R. J. Measurement of ionic resonances in alkyl phenyl ketone cations via infrared strong field mass spectrometry. The Journal of Physical Chemistry A. 117 (47), 12374-12381 (2013).
- Wiley, W. C., McLaren, I. H. Time-of-Flight Mass Spectrometer with Improved Resolution. Review of Scientific Instruments. 26, 1150-1156 (1955).
- Gutsev, G. L., Ampadu Boateng, D., Jena, P., Tibbetts, K. M. A Theoretical and Mass Spectrometry Study of Dimethyl Methylphosphonate: New Isomers and Cation Decay Channels in a Femtosecond Laser Field. The Journal of Physical Chemistry A . 121 (44), 8414-8424 (2017).
- Hankin, S. M., Villeneuve, D. M., Corkum, P. B., Rayner, D. M. Intense-field laser ionization rates in atoms and molecules. Physical Review A. 64 (1), 013405 (2001).
- Amitay, Z., Zajfman, D. A new type of multiparticle three-dimensional imaging detector with subnanosecond time resolution. Review of Scientific Instruments. 68 (3), 1387-1392 (1997).
- Trebino, R., Kane, D. J. Using phase retrieval to measure the intensity and phase of ultrashort pulses: frequency-resolved optical gating. Journal of the Optical Society of America A. 10 (5), 1101 (1993).
- DeLong, K. W., Trebino, R., Hunter, J., White, W. E. Frequency-resolved optical gating with the use of second harmonic generation. Journal of the Optical Society of America B. 11 (11), 2206 (1994).
- Trebino, R. . Frequency Resolved Optical Gating. , (2000).
- Ruff, J. A., Siegman, A. E. Single-pulse laser beam quality measurements using a CCD camera system. Optics Letters. 31 (24), 4907-4909 (1992).
- Trushin, S. A., Kosma, K., Fuß, W., Schmid, W. E. Sub-10-fs supercontinuum radiation generated by filamentation of few-cycle 800 nm pulses in argon. Optics Letters. 32 (16), 2432-2434 (2007).
- Fuß, W., Schmid, W. E., Pushpa, K. K., Trushin, S. A., Yatsuhashi, T. Ultrafast relaxation and coherent oscillations in aminobenzonitriles in the gas phase probed by intense-field ionization. Physical Chemistry Chemical Physics . 9 (10), 1151-1169 (2007).
