Denne protokollen beskriver de viktigste trinnene for utføring og analysere pumpe-sonden eksperimenter kombinerer en femtosecond optisk laser med en fri-elektron laser for å studere lynraske fotokjemisk reaksjoner i gassfase-molekyler.
Denne protokollen beskriver sentrale trinn i utføre og analysere femtosecond pumpe-sonden eksperimenter som kombinerer en femtosecond optisk laser med en fri-elektron laser. Dette omfatter metoder for å etablere den romlige og tidsmessige overlapping mellom optisk og fri-elektron laser pulser under eksperimentet, samt viktige aspekter av dataanalyse, som korrigeringer for ankomst tid jitter, som er nødvendige for få høy kvalitet pumpe-sonden datasett med best mulig timelige oppløsning. Disse metodene er vist for en eksemplarisk eksperimentet utføres på FLASH (fri-elektron LASer Hamburg) fri-elektron laser for å studere lynraske fotokjemi i gassfase-molekyler med hastighet kart ion bildebehandling. Men er de fleste av strategier også gjelder for lignende pumpe-sonden eksperimenter ved hjelp av andre mål eller andre eksperimentelle teknikker.
Tilgjengeligheten av korte og intense ekstreme ultrafiolett (XUV) og X-ray pulser fra fri-elektron lasere (FELs)1,2 har åpnet nye muligheter for femtosecond pumpe-sonden eksperimenter utnytte nettstedet – og element-spesifisitet av indre-shell Foto-absorpsjon prosessen3,4,5,–6. Slike eksperimenter kan brukes, f.eksundersøke molekylære dynamikk og lade overføring prosesser i væsker7 og gassfase-molekyler8,9,10,11 , 12, og sanntids observasjoner av katalytisk reaksjoner og lynraske overflaten kjemi13,14 med en midlertidig løsning av 100 femtoseconds eller under. Hvis pumpen-sonden eksperimentet utføres ved å kombinere en synkronisert optisk femtosecond laser med FEL, nevnt som var tilfelle i alle eksemplene ovenfor, den iboende ankomsttid jitter mellom optisk laser og FEL pulser må måles på bilde-for-bilde basis og korrigert for i dataanalyse for å oppnå best mulig midlertidig løsning.
Innenfor et stort samarbeid, har flere pumpe-sonden eksperimenter kombinere optisk lasere med en fri-elektron laser nylig vært utført9,10,11,12, både på FLASH XUV FEL15 ,16 og LCLS X-ray FEL17 fasiliteter, og en eksperimentell protokoll for utføre og analysere disse eksperimentene er utviklet, som vises nedenfor. Metoden er demonstrert for en eksemplarisk eksperimentet utføres på FLASH fri-elektron laser for å studere lynraske fotokjemi i gassfase-molekyler med hastighet kart ion tenkelig11,12. Men de fleste av strategier er også gjelder for lignende pumpe-sonden eksperimenter ved hjelp av andre mål eller andre eksperimentelle teknikker og kan også tilpasses andre FEL fasiliteter. Mens noen av de individuelle trinnene presenteres her eller variasjoner av disse har allerede vært diskutert i litteratur18,19,20, gir denne protokollen en omfattende beskrivelse av de viktigste trinnene, inkludert noen som utnytter de nyeste tekniske forbedringene i synkroniseringen og i timing diagnostics, som har betydelig forbedret stabilitet og tidsmessige oppløsningen for pumpe-sonden eksperimenter12, 21.
Følgende protokollen forutsetter en pumpe-sonden slutten-stasjon, for eksempel CAMP apparatet med FLASH22, utstyrt med en ion tid-av-fly, ion momentum bilde eller kart hastighet imaging (VMI) ion spectrometer; en overstrømmende eller overlyds gass jet; og en synkronisert nær infrarød (NIR) eller ultrafiolett (UV) femtosecond laser, som pulser kan overlappe hverandre collinearly eller nær-collinearly med fri-elektron laserstrålen, som skisserte skjematisk i figur 1. Videre en passende pakke diagnostikk verktøy som en flyttbar stråle på skjermen (f.eks. en åre belagt med Ce:YAG pulver eller en tynn Ce:YAG krystall) i regionen samhandling, en rask photodiode følsomme for både FEL og laser pulser og en haug ankomsttid skjerm (BAM)23,24 eller “timing verktøyet”25,26,27 kreves, som vanligvis er integrert i pumpen-sonden endestasjon eller leveres av FEL anlegget, hvis bedt om eksperimentet. Til slutt, bilde-for-bilde jitter korreksjon forutsetter at eksperimentelle data er registrert og tilgjengelig på bilde-for-bilde basis og koblet til bilde-for-bilde målinger av haug ankomst-tid jitter ved hjelp av en unik “haug ID” eller en annen tilsvarende ordningen.
På FLASH er de spesifikke systemene som er avgjørende for pumpe-sonden eksperimenter:
Lignende systemer er tilgjengelig på andre FEL fasiliteter og er avgjørende for å utføre en pålitelig pumpe-sonden eksperiment.
På grunn av kompleksiteten av eksperimentelle oppsett, pumpe-sonden eksperimenter med fri-elektron lasere krever høy kompetanse og erfaring og trenger svært forsiktig forberedelse og detaljerte diskusjoner med den vitenskapelige team som opererer i fri-elektron laser, laser optisk og slutten-stasjonen, både før og under eksperimentet. Mens du utfører det aktuelle eksperimentet, nøyaktig bestemmelse av romlige og tidsmessige overlapping og nær overvåking av alle diagnoser og timing systemer, som beskrevet i denne protokollen, er avgjørende.
Merk at de fleste av metodene som er beskrevet her er bare gjelder for en bestemt Foton energi rekke FEL siden de er avhengige av effekter som er sterkt avhengige Foton energi. For eksempel fastsettelse av “grove” timelige overlappingen bruker spredte lys regissert en photodiode ble funnet for å fungere godt for Foton energi til ~ 250 eV. Høyere Foton energi blir signalet generert av FEL pulser så liten at den er vanskelig å oppdage. I så fall, en åpent SMA kabel som kan bringes svært nær (mindre enn en millimeter) til eller selv i FEL strålen ble funnet for å produsere et mer pålitelig signal å utføre fremgangsmåten som er beskrevet i trinn 3.1) av protokollen. Tilsvarende beste målet for å bestemme “fine” timing, beskrevet i trinn 3.2), er sterkt avhengig av Foton energi. For FEL pulser i XUV og myke X-ray regionen over 65.7 eV og ~ 57 eV Foton energi (tilsvarende 4d ionisering tersklene xenon og CH3jeg, henholdsvis), Xe og CH3jeg ble funnet for å være egnet mål for prosedyren beskrevet i trinn 3.2. Metoden med CH3jeg fant for å jobbe for Foton energi opptil 2 keV (som det ikke har ennå blitt testet), mens metoden bruker Xe er testet opp til 250 eV. For Foton energi under 50 eV, kan obligasjonen mykgjørende prosessen i H2 være brukt19. Foton energi over 400 eV er en lignende prosess i N2 også egnet20. Alternative tilnærminger involvere endringen i Reflektivitet en solid prøve25,26,30 eller dannelse av side band i photoelectron spectrum31,32.
For å oppnå best midlertidig løsning, er det nødvendig å sortere eksperimentelle data på bilde-for-bilde basis i dataanalyse å kompensere for ankomst tid jitter mellom FEL og optisk laser pulser, som beskrevet i trinn 5. Imidlertid kvaliteten av pumpe-sonden data, og spesielt oppnåelig timelige oppløsning, sterkt avhenger av ytelsen til FEL under eksperimentet og puls varigheter på optisk laser pulser og FEL pulser som kan brukes i denne perioden. For eksemplarisk data vises her, puls varighet på UV pulser ble anslått til 150 fs (FWHM) og FEL puls varigheten var anslått til 120 fs (FWHM). Selv om den totale ankomst tid-jitter av ca 90 fs (rms) før jitter-korreksjon kan bli redusert til ca 27 fs (rms) bruke fremgangsmåten beskrevet her12, resulterende forbedring av totale timelige oppløsningen til den eksperimentet ble ganske liten relativt lang puls varighetene for FEL og optisk laseren. Begge kan imidlertid bli redusert betydelig, da virkningen av jitter korreksjon ordningen vil bli mer betydningsfulle. For eksempel installeres en ny optisk laser er på FLASH, som vil ha en puls varighet (i nær-infrarøde) under 15 AS, mens nye FEL drift modus også blir testet som kan produsere FEL pulser med puls varigheter av noen femtoseconds eller nedenfor. Denne utviklingen vil snart gjøre pumpe-sonden eksperimenter kombinerer FEL og optisk laser pulser med en samlet midlertidig løsning på bare noen få titalls femtoseconds.
Mens økt tilgjengelighet av korte og intense XUV og X-ray pulser produsert av FELs har gytt en rekke NIR/UV – XUV pumpe-sonden eksperimenter som det som er beskrevet her, lignende pumpe-sonden eksperimenter kan også utføres med høy harmonisk generasjon (HHG) kilder33,34,35. Den viktigste begrensningen av FEL-baserte eksperimenter er vanligvis oppnåelig timelige oppløsning, som er fundamentalt begrenset synkroniseringen mellom FEL og optisk laser eller presisjon som relative timing mellom pumpen og sonden pulser kan måles. Dette er ikke tilfelle for en HHG-baserte pumpe-sonde eksperimentere, hvor de XUV og NIR pulser synkroniseres egentlig med sub syklus presisjon og som kan derfor generelt har en mye høyere midlertidig løsning. Hovedfordelen med FEL-baserte eksperimentene, derimot, er det flere størrelsesordener høyere Foton fluence, som gjør eksperimenter, f.eks., på fortynne mål som er ikke mulig med gjeldende HHG kilder, spesielt ved høyere Foton energi i myk X-ray regimet. I overskuelig fremtid forblir pumpe-sonden eksperimenter med FELs og HHG derfor utfyllende, med noen overlapp i regionen XUV der begge kan brukes for lignende undersøkelser. Noen av trinnene for å utføre disse eksperimentene er også like, og noen av metodene som er beskrevet her kan også derfor brukes for HHG-baserte pumpe-sonden eksperimenter.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne takker 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, merket Brouard, Lauge Christensen, Jan Thøgersen, Henrik Stapelfeldt, Nora Berrah, Maria Müller, Anatoli Ulmer, Simone Techert , Artem Rudenko Daniela Rupp og Melanie Schnell, som deltok i den FLASH beamtime der bestemte data vises og diskutert her ble kjøpt og som bidro til analyse og fortolkning. Arbeidet med vitenskapelige og tekniske team i FLASH, som har muliggjort eksperimentet, er også takknemlig anerkjent. Dr anerkjenner støtte fra kjemiske Sciences, Stas, og biovitenskap divisjon, Office for energi basalfag, Office of Science, US Department of Energy, Grant nr. DE-FG02-86ER13491. Eksperimenter i FLASH ble også støttet av Helmholtz Gemeinschaft gjennom Helmholtz unge etterforsker Program. Vi erkjenner Max Planck Society for utvikling og første driften av leiren slutten-stasjonen i Max Planck avansert studie gruppen på CFEL og for å gi dette utstyret for CAMP@FLASH. Installasjonen av CAMP@FLASH ble delvis finansiert av BMBF tilskudd 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 |