Det här protokollet beskriver de viktigaste stegen för att utföra och analysera pump-probe experiment kombinerar en optisk femtosecondlaser med gratis-elektron laser för att studera ultrasnabb fotokemiska reaktioner i gasfas-molekyler.
Det här protokollet beskriver viktiga stegen i utföra och analysera femtosekund pump-probe experiment som kombinerar en optisk femtosecondlaser med gratis-elektron laser. Detta inkluderar metoder för att fastställa den rumsliga och tidsmässiga överlappning mellan optiska och gratis-elektron laser pulserar under de experiment, samt viktiga aspekter av analysen av data, till exempel korrigeringar för ankomst tiden jitter, som är nödvändiga för att få hög kvalitet pump-probe datauppsättningar med den bästa möjliga temporal upplösningen. Dessa metoder demonstreras för ett exemplariskt experiment utförs på FLASH (Free-elektron LASer Hamburg) gratis-elektron laser för att studera ultrasnabb fotokemi i gasfas-molekyler genom velocity karta ion imaging. De flesta av strategierna gäller dock även för liknande pump-probe experiment med andra mål eller andra experimentella tekniker.
Tillgången på kort och intensiv extrema ultraviolett (XUV) och röntgen pulser från gratis-elektron lasrar (FELs)1,2 har öppnat nya möjligheter för femtosekund pump-probe experiment att utnyttja den plats – och element-specificitet inner-shell foto-absorptionen processen3,4,5,6. Sådana experiment kan användas, t.ex., att undersöka molekylär dynamik och debitera bearbetar vätskor7 och gas-fas molekyler8,9,10,11 , 12, och för realtid observationer av katalytiska reaktioner och ultrasnabb ytan kemi13,14 med en temporal upplösning på 100 femtosekunder eller nedan. Om pump-probe experimentet utförs genom att kombinera en synkroniserade optiska femtosecondlaser med FEL, vilket var fallet i alla exempel som nämns ovan den inneboende ankomsttid jitter mellan optisk laser och FEL pulserna har skall mätas på basis av skottet av skott och korrigerade för i dataanalysen för att uppnå bästa möjliga temporal upplösning.
Inom ett stort samarbete har flera pump-probe experiment kombinerar optisk laser med en gratis-elektron laser nyligen utförda9,10,11,12, både på den FLASH XUV FEL15 ,16 och de LCLS röntgen FEL17 -anläggningarna och ett experimentellt protokoll för att utföra och analysera dessa experiment har utvecklats, som presenteras i följande. Metoden demonstreras för ett exemplariskt experiment utförs på FLASH gratis-elektron laser för att studera ultrasnabb fotokemi i gasfas-molekyler genom velocity karta ion imaging11,12. Men de flesta av strategierna som gäller även för liknande pump-probe experiment med andra mål eller andra experimentella tekniker och kan också anpassas till andra FEL-anläggningarna. Medan några av de enskilda stegen presenteras här eller varianter därav har redan diskuterats i litteraturen18,19,20, ger detta protokoll en utförlig beskrivning av de viktigaste stegen, inklusive några som utnyttjar de senaste tekniska förbättringarna i synkronisering och timing diagnostiken, som har avsevärt förbättrat stabiliteten och den temporal upplösningen för pump-probe experiment12, 21.
Följande protokoll förutsätter en pump-probe-slutstation, såsom CAMP instrumentet på FLASH22, utrustad med en ion time-of-flight, en ion momentum imaging eller kartan velocity imaging (VMI) ion spektrometer; en översvallande eller supersonic gasstrålen; och en synkroniserad nära infrarött (NIR) eller ultraviolett (UV) femtosecondlaser, vars pulser kan vara överlappande collinearly eller nära-collinearly med gratis-elektron laserstrålen, som skissade schematiskt i figur 1. Dessutom en lämplig uppsättning diagnostik verktyg såsom en avtagbar balk bildskärm (t.ex. en paddel belagda med Ce:YAG pulver eller en tunn Ce:YAG kristall) i regionen interaktion, en snabb fotodiod som är känsliga för både FEL och laser pulserar och ett gäng ankomsttid monitor (BAM)23,24 eller ”timing verktyg”25,26,27 krävs, varav alla är vanligtvis integrerade i pump-probe-slutstation eller tillhandahålls av anläggningen i FEL, om begärts före experimentet. Slutligen, skottet av skott jitter korrigering förutsätter att experimentella data är inspelad och tillgänglig på basis av skottet av skott och länkade till skottet av skott mätningar av gäng ankomsttid tiden jitter med hjälp av en unik ”gäng ID” eller av en annan motsvarande system.
På FLASH är de specifika system som är avgörande för pump-probe experiment:
Liknande system finns på andra FEL-anläggningarna och är avgörande för att utföra en pålitlig pump-probe experiment.
På grund av komplexiteten i de experimentella uppställningar, pump-probe experiment med gratis-elektron lasrar kräva en hög kompetens och erfarenhet och behovet av mycket noggrann förberedelse och ingående diskussioner med de vetenskapliga team som bedriver den gratis-elektron laser, optisk laser och slutstation, både före och under experimentet. Medan du utför den verkliga experimentet, exakt bestämning av rumsliga och tidsmässiga överlappning och nära övervakning av alla diagnostik och timing system, som beskrivs i detta protokoll, är nödvändiga.
Observera att de flesta av metoderna som beskrivs här gäller endast för en specifik photon energi rad FEL eftersom de är beroende av effekter som är starkt beroende av fotonenergi. Exempelvis bestämning av ”grov” temporal överlappningen med spridda ljus riktat på en fotodiod visade sig fungera bra för photon energier upp till ~ 250 eV. Vid högre photon energier blir den signal som genereras av FEL pulserna så liten att det är svårt att upptäcka. I så fall hittades en förutsättningslös SMA kabel som kan föras mycket nära (mindre än en millimeter) till eller ens in FEL balken för att producera en mer tillförlitlig signal att utföra proceduren i steg 3.1) i protokollet. Likaså det bästa målet för att fastställa den ”fina” timingen, beskrivs i steg 3,2), är starkt beroende av fotonenergin. För FEL pulser i XUV och mjuk röntgen regionen ovanför 65,7 eV och ~ 57 eV fotonenergi (motsvarande 4d jonisering tröskelvärdena i xenon och CH3, respektive), Xe och CH3jag befanns vara lämpliga mål för förfarandet steg som beskrivs i 3.2. Metoden som använder CH3jag visade sig fungera för photon energi upp till 2 keV (ovan som det inte har ännu testats), medan metoden som använder Xe har testats upp till 250 eV. För photon energier under 50 eV, kan den bond mjukgörande process i H2 vara begagnade19. På fotonen energier över 400 eV är en liknande process i N2 också lämpliga20. Alternativa metoder innebär förändringen i reflektionsförmåga av en solid prov25,26,30 eller bildandet av side band i den fotoelektronen spektrum31,32.
För att uppnå bäst temporal upplösning, är det nödvändigt att sortera experimentella data på grundval av skottet av skott i dataanalysen till kompensera för ankomst tid jitter mellan FEL och de optiska laserpulser, som beskrivs i steg 5. Dock beror kvaliteten av pump-probe data och i synnerhet, den uppnåeliga temporal upplösningen, starkt på prestandan hos FEL under experimentet och puls varaktigheten för de optiska laserpulser och FEL pulserna som kan tillhandahållas under den tiden. För exemplarisk data visas här, puls varaktigheten av UV pulserna beräknades till 150 fs (FWHM) och FEL puls varaktigheten uppskattades till 120 fs (FWHM). Även om den totala ankomst tid-jitter i cirka 90 fs (rms) innan jitter korrigering kan reduceras till cirka 27 fs (rms) med hjälp av proceduren som beskrivs här12, resulterande förbättring av den totala temporal upplösningen av den experimentet var ganska liten på grund av relativt lång puls varaktigheten för FEL och optisk laser. Båda kan, dock minskas avsevärt, i vilket fall effekterna av jitter korrigering systemet blir mer betydande. Till exempel installeras en ny optisk laser för närvarande på FLASH, som kommer att ha pulslängd (i det nära infrarött) under 15 fs, medan nya FEL operation lägen testas också som kan producera FEL pulser med puls varaktigheten för några femtosekunder eller ens nedan. Denna utveckling kommer snart aktivera pumpen-probe experiment att kombinera FEL och optiska laserpulser med en övergripande temporal upplösning på endast några tiotals femtosekunder.
Medan den ökade tillgången på kort och intensiv XUV och röntgen pulser produceras av FELs har gett upphov till ett antal NIR/UV – XUV pump-probe experiment som den som beskrivs här, liknande pump-probe experiment kan även utföras med hög harmoniska generation (HHG) källor33,34,35. Den största begränsningen av de FEL-baserade experiment är vanligtvis den uppnåeliga temporal upplösning, som är fundamentalt begränsad av synkronisering mellan FEL och optisk laser eller genom precision med vilken relativt timing mellan pumpen och den sonden pulser kan mätas. Detta är inte fallet för en HHG-baserade pump-probe experimentera, där XUV och NIR pulserna synkroniseras intimt med sub cykel precision och som kan därför i allmänhet har en mycket högre temporal upplösning. Den stora fördelen med FEL-baserade experimenten, däremot, är det flera tiopotenser högre photon fluence, vilket gör experiment, t.ex., på späd mål som inte är är genomförbart med nuvarande HHG källor, särskilt vid högre Photon energier i den mjuka Röntga-regimen. För överskådlig framtid förblir pump-probe experiment med FELs och HHG därför kompletterande, med viss överlappning i regionen XUV där båda kan användas för liknande undersökningar. Några av stegen för att utföra dessa experiment liknar också, och några av de metoder som beskrivs här kan därför också tillämpas för HHG-baserade pump-probe experiment.
The authors have nothing to disclose.
Författarna tackar 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, Felix Brauβe, Arnaud Rouzée, Faruk Krecinic, Jochen Küpper, Piotr Rudawski, Per Johnsson, Maggan 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 och Melanie Schnell, som deltog i den FLASH beamtime under vilka specifika data visas och diskuteras här förvärvades och som bidragit till analys och tolkning. Arbetet i de vetenskapliga och tekniska team på FLASH, som har möjliggjort experimentet, erkänns också tacksamt. D.R. erkänner stöd från kemiska vetenskaper, geovetenskaper, och Biosciences Division, Office av grundläggande Energivetenskaper, Office of Science, US Department of Energy, Grant nr. DE-FG02-86ER13491. Experimenten på FLASH stöttades också av den Helmholtz Gemeinschaft genom programmet Helmholtz Young Investigator. Vi erkänner den Max Planck-sällskapet för finansiering av utveckling och inledande drift av CAMP-slutstationen inom Max Planck Advanced Study Group på CFEL och för att tillhandahålla denna utrustning för CAMP@FLASH. Installationen av CAMP@FLASH finansierades delvis av BMBF bidrag 05K10KT2, 05K13KT2, 05K16KT3 och 05K10KTB från 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 |