Denne protokol beskriver de vigtigste skridt for at gennemføre og analysere pumpe-sonde eksperimenter kombinerer en femtosekund optisk laser med en fri-elektron laser for at studere ultrahurtig fotokemisk reaktioner i gasfase molekyler.
Denne protokol beskriver vigtige trin i udførelse og analysere femtosekund pumpe-sonde eksperimenter, der kombinerer en femtosekund optisk laser med en fri-elektron laser. Dette omfatter metoder til at etablere den rumlige og tidsmæssige overlapning mellem de optiske og fri-elektron laserpulser under forsøget, samt vigtige aspekter af dataanalyse, såsom korrektioner for ankomst tid jitter, som er nødvendige for at få høj kvalitet pumpe-sonde datasæt med den bedste mulige tidsmæssige opløsning. Disse metoder er vist for et eksemplarisk eksperiment udført på FLASH (fri-elektron LASer Hamburg) fri-elektron laser for at studere ultrahurtig fotokemi i gasfase molekyler med velocity kort ion billeddannelse. De fleste af strategierne, der er dog også finder anvendelse på lignende pumpe-sonde eksperimenter ved hjælp af andre mål eller andre eksperimentelle teknikker.
Tilgængeligheden af korte og intense extreme ultraviolet (XUV) og X-ray pulser fra fri-elektron lasere (FELs)1,2 har åbnet nye muligheder for femtosekund pumpe-sonde eksperimenter udnytter site – og element-specificiteten af den indre-shell foto-absorption proces3,4,5,6. Sådanne eksperimenter kan bruges, fxat undersøge Molekylær dynamik og opkræve overførsel processer i væsker7 og gas-fase molekyler8,9,10,11 , 12, og for realtids observationer af katalytiske reaktioner og ultrahurtig overfladen kemi13,14 med en tidsmæssig opløsning på 100 femtoseconds eller nedenfor. Hvis pumpen-sonde eksperiment udføres ved at kombinere en synkroniseret optisk femtosekund laser med FEL, nævnt hvilket var tilfældet i alle eksemplerne ovenfor, den iboende ankomsttid jitter mellem optisk laser og FEL pulser har måles på grundlag af skud ved skud korrigeret for i dataanalyse for at opnå den bedste mulige tidsmæssige opløsning.
Inden for et stort samarbejde, har flere pumpe-sonde eksperimenter kombinere optisk lasere med en fri-elektron laser for nylig været udført9,10,11,12, både på FLASH XUV FEL15 ,16 og LCLS X-ray FEL17 faciliteter og en forsøgsplan for at gennemføre og analysere disse eksperimenter er blevet udviklet, som præsenteres i følgende. Metoden er påvist for et eksemplarisk eksperiment udført på FLASH fri-elektron laser for at studere ultrahurtig fotokemi i gasfase molekyler med velocity kort ion imaging11,12. Men de fleste af strategierne gælder også for lignende pumpe-sonde eksperimenter ved hjælp af andre mål eller andre eksperimentelle teknikker og kan også tilpasses andre FEL faciliteter. Mens nogle af de enkelte skridt præsenteret her eller variationer heraf allerede har været diskuteret i litteraturen18,19,20, indeholder denne protokol en omfattende beskrivelse af de vigtigste skridt, herunder nogle, som drager fordel af de nyeste tekniske forbedringer i synkroniseringen og timing diagnostik, hvilket er betydeligt forbedret stabilitet og pumpe-sonde eksperimenter12tidsmæssige opløsning, 21.
Følgende protokol antager en pumpe-sonde endestation, såsom CAMP instrumentet på FLASH22, udstyret med en ion time of flight, en ion fremdrift imaging eller en hastighed kort imaging (VMI) ion spektrometer; en overstrømmende eller supersoniske gas jet; og en synkroniseret nær-infrarødt (NIR) eller ultraviolette (UV) femtosekund laser, hvis pulser kan blive overlappet collinearly eller nær-collinearly fri-elektron laserstrålen, som skitseret skematisk i figur 1. Derudover en passende suite af diagnose værktøjer som en flytbar stråle på skærmen (f.eks. en pagaj, belagt med Ce:YAG pulver eller en tynd Ce:YAG krystal) i regionen interaktion, en hurtig fotodiode følsomme over for både FEL og laser pulser og en flok ankomsttid skærm (BAM)23,24 eller “timing værktøj”25,26,27 er påkrævet, som alle er normalt integreret i pumpe-sonde ende-station eller leveres af FEL facilitet, hvis anmodet om før forsøget. Endelig, skud ved skud jitter korrektion antager, at eksperimentelle data er optaget og tilgængelig på grundlag af skud ved skud og forbundet til skud ved skud målinger af flok ankomst-tid jitter, ved hjælp af en unik “flok ID” eller af en anden tilsvarende ordning.
På FLASH er de specifikke systemer, der er afgørende for pumpe-sonde eksperimenter:
Lignende systemer er tilgængelige på andre FEL faciliteter og er afgørende for at udføre en pålidelig pumpe-sonde eksperiment.
På grund af kompleksiteten af de eksperimentelle opsætninger, pumpe-sonde eksperimenter med fri-elektron lasere kræver en høj grad af ekspertise og erfaring og behovet meget omhyggelig forberedelse og detaljerede drøftelser med det videnskabelige hold at betjene de fri-elektron laser, optisk laser, og endestationen, både før og under eksperimentet. Mens de udfører de faktiske eksperiment, præcis bestemmelse af rumlige og tidsmæssige overlapning og tæt overvågning af alle diagnostik og timing systemer, som beskrevet i denne protokol, er afgørende.
Bemærk, at de fleste af de metoder beskrevet her er kun gældende for en specifik photon Energi række FEL da de afhængige effekter, der er stærkt afhængige af photon Energi. For eksempel, bestemmelse af den “rå” tidsmæssig overlapning ved hjælp af spredt lys instrueret på en fotodiode blev anset for at fungere godt for photon Energi op til ~ 250 eV. Ved højere photon Energi bliver genereret af FEL pulser signalet så lille, at det er svært at opdage. I dette tilfælde fandtes en open-ended SMA kabel, der kan bringes meget tæt (mindre end en millimeter) til eller endda i FEL stråle til at producere en mere pålidelig signal til at udføre proceduren beskrevet taktfast 3.1) i protokollen. Ligeledes, den bedste mål til bestemmelse af de “fine” timing, beskrevet taktfast 3.2), er stærkt afhængig af photon Energi. Ved FEL pulser i XUV og bløde X-ray region ovenfor 65,7 eV og ~ 57 eV photon Energi (svarende til de 4d ionisering tærskler i xenon og CH3, henholdsvis), Xe og CH3jeg fandtes for at være passende mål for proceduren beskrevet taktfast 3.2. Metoden ved hjælp af CH3jeg blev fundet til at arbejde for photon Energi op til 2 keV (hvorover det ikke har endnu blevet testet), mens metoden ved hjælp af Xe er blevet testet op til 250 eV. For photon energi under 50 eV, kan bond opblødning proces i H2 være brugt19. På photon energi over 400 eV er en lignende proces i N2 også egnet20. Alternative tilgange medføre ændringen i refleksionsevne af en solid prøve25,26,30 eller dannelsen af side bands i photoelectron spektrum31,32.
For at opnå bedst tidsmæssige opløsning, er det nødvendigt at sortere de eksperimentelle data på grundlag af skud ved skud i dataanalyse til at kompensere for ankomst tid jitter mellem FEL og optisk laserpulser, som beskrevet i trin 5. Men kvaliteten af pumpe-sonde data og navnlig den opnåelige tidsmæssige opløsning, kraftigt afhænger af udførelsen af FEL under eksperimentet og puls varigheder af de optiske laserpulser og FEL impulser, der kan gives i denne periode. For den eksemplariske data, der vises her, impulslængde på UV pulser blev anslået til at være 150 fs (FWHM) og FEL impulslængde blev anslået til 120 fs (FWHM). Selv om den samlede ankomst tid-jitter af ca 90 fs (rms) før jitter-korrektion kunne nedsættes til cirka 27 fs (rms) ved hjælp af proceduren beskrevet her12, den deraf følgende forbedring af det samlede tidsmæssige opløsning af den eksperiment var ret lille på grund af relativt lang pulse varighederne af FEL og optisk laser. Begge kan imidlertid reduceres væsentligt, i hvilket tilfælde jitter korrektion ordningens indvirkning vil være større. For eksempel, installeres en ny optisk laser i øjeblikket på FLASH, som vil have en impulslængde (i nær-infrarødt) under 15 fs, mens nye FEL operation modes testes også, der kan producere FEL pulser med puls varigheder af et par femtoseconds eller endda nedenfor. Disse udviklinger vil snart aktiverer pumpe-sonde eksperimenter kombinerer FEL og optisk laserpulser med en samlet tidsmæssige opløsning af kun et par snese femtoseconds.
Mens den øgede tilgængelighed af korte og intense XUV og X-ray pulser produceret af FELs har affødt en række NIR/UV – XUV pumpe-sonde eksperimenter som beskrevet her, lignende pumpe-sonde eksperimenter kan også udføres med høj harmonisk generation (HHG) kilder33,34,35. Den største begrænsning af de FEL-baserede eksperimenter er typisk den opnåelige tidsmæssige opløsning, som er fundamentalt begrænset af synkronisering mellem FEL og optisk laser eller af præcisionen, som relative timing mellem pumpen og den sonden pulser kan måles. Dette er ikke tilfældet for en HHG-baserede pumpe-sonde eksperimentere, hvor XUV NIR bælgplanter er uløseligt synkroniseret med sub cyklus præcision og der kan derfor i almindelighed, har en meget højere tidsmæssige opløsning. Den største fordel ved de FEL-baserede eksperimenter, på den anden side er den flere størrelsesordener højere photon fluens, som giver mulighed for eksperimenter, fx., på fortyndes mål, der ikke er være muligt med nuværende HHG kilder, især ved højere photon energi i det bløde X-ray regime. For en overskuelig fremtid forbliver pumpe-sonde eksperimenter med FELs og HHG derfor supplerer hinanden, med nogle overlapning i regionen XUV hvor både kan anvendes til lignende undersøgelser. Nogle af de skridt til at udføre disse eksperimenter er også ens, og nogle af de metoder, der beskrives her kan derfor også anvendes for HHG-baserede pumpe-sonde eksperimenter.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne takke 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, Maria Müller, Anatoli Ulmer, Simone Techert , Artem Rudenko, Daniela Rupp og Melanie Schnell, der deltog i den FLASH beamtime, hvorunder de specifikke data vist og diskuteret her var erhvervet og som bidrog til analyse og fortolkning. Arbejdet i de videnskabelige og tekniske teams på FLASH, der har gjort forsøget muligt, anerkendes også taknemmeligt. D.R. anerkender støtte fra kemiske videnskaber, geovidenskab, og Biosciences Division, Office of grundlæggende energi Sciences, Office of Science, US Department of Energy, Grant nr. DE-FG02-86ER13491. Eksperimenter på FLASH blev også støttet af Helmholtz Gemeinschaft gennem Helmholtz Young Investigator Program. Vi anerkender den Max Planck Society til finansiering af udvikling og ibrugtagning af CAMP endestationen inden for Max Planck Advanced Study-Group på CFEL og for at give dette udstyr til CAMP@FLASH. Installation af CAMP@FLASH var delvist finansieret af BMBF tilskud 05K10KT2, 05K13KT2, 05K16KT3 og 05K10KTB fra 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 |