Direct Imaging von lasergetriebenen Ultrakurz Molecular Rotation

Zusammenfassung

We present a protocol for creating a real-time movie of a molecular rotational wave packet using a high-resolution Coulomb explosion imaging setup.

Zusammenfassung

Wir stellen eine Methode zur Visualisierung von laserinduzierten, ultraschnelle molekulare Drehwellenpaketdynamik. Wir haben ein neues 2-dimensionale Coulomb Explosion Imaging-Setup entwickelt, in denen ein bisher nicht praktikabel-Kamerawinkel realisiert wird. In unserer Imaging-Technik, zweiatomigen Moleküle werden mit einem zirkular polarisierten starken Laserpuls bestrahlt. Die ausgestoßenen Atomionen sind senkrecht zu der Laserausbreitungs beschleunigt. Die Ionen in der Laserpolarisationsebene liegen, werden durch die Verwendung eines mechanischen Schlitz ausgewählt, und mit einem Hochdurchsatz abgebildet wird, 2-dimensionalen Detektor installiert parallel zur Polarisationsebene. Weil ein zirkular polarisiertes (isotrop) Coulomb explodierenden Impuls verwendet wird, entspricht die beobachtete Winkelverteilung der ausgestoßenen Ionen direkt auf die quadrierten Rotationswellenfunktion zur Zeit der Pulsbestrahlung. Um eine Echtzeit-Film der molekularen Rotation, die vorliegende Abbildungstechnik schaffen mit einem Femtosekunden-Pump-Probe-o kombiniertptical Einrichtung, in der die Pumpimpulse schaffen rotierenden unidirektional molekularen Ensembles. Aufgrund der hohen Bild Durchsatz unseres Nachweissystems kann die Pump-Probe experimentellen Bedingungen leicht durch Überwachung eines Echtzeit-Momentaufnahme optimiert werden. Als Ergebnis ist die Qualität des beobachteten Film ausreichend hoch, um die detaillierte Wellennatur der Bewegung für die Visualisierung. Wir stellen ferner fest, dass die vorliegende Technik in bestehende Standard-Ionen-Imaging-Setups implementiert werden, eine neue Kamerawinkel oder Blickwinkel für die molekularen Systemen, ohne die Notwendigkeit für umfangreiche Änderungen an.

Einleitung

Für ein tieferes Verständnis und eine bessere Nutzung der dynamischen Natur von Molekülen, ist es wichtig, klar zu molekularen Bewegungen von Interesse zu visualisieren. Zeitaufgelöste Coulomb Explosion Imaging ist eine der leistungsfähigen Ansätze dieses Ziel ^{1, 3 2,} zu erreichen. In diesem Ansatz werden die Molekulardynamik von Interesse durch eine Pumpe ultrakurzen Laserfeld initiiert und werden dann durch eine zeitverzögerte Abtastimpuls sondiert. Bei der Sonde Bestrahlung werden Moleküle mehrfach ionisiert und in Fragmentionen aufgrund der Coulomb-Abstoßung gebrochen. Die räumliche Verteilung der ausgestoßenen Ionen ist ein Maß für die molekulare Struktur und die räumliche Orientierung an der Sondenbestrahlung. Eine Folge von Mess Abtasten der Pump-Probe-Verzögerungszeit führt zur Schaffung eines molekularen Films. Es ist bemerkenswert, dass für den einfachsten Fall - zweiatomigen Molekülen - die Winkelverteilung der ausgestoßenen Ionendirekt spiegelt die Molekülachse Verteilung (dh die quadriert Drehwellenfunktion).

Im Hinblick auf den Pumpvorgang, die jüngsten Fortschritte bei der kohärenten Kontrolle der Molekularbewegung mit ultrakurzen Laserfeldern hat zur Schaffung geführt von stark kontrollierten Drehwellenpakete ^{4, 5.} Weiterhin kann die Drehrichtung aktiv durch die Verwendung eines polarisationsgesteuerten Laserfeld ^{6, 7, 8} gesteuert werden. Es ist daher zu erwarten, dass ein detailliertes Bild der molekularen Rotation, einschließlich Wellen Naturen, sichtbar gemacht werden konnte , wenn die Coulomb - Explosion Abbildungstechnik mit einer solchen Pumpvorgang ⁹ kombiniert ^{wird, 10, 11, 12, 13.} Allerdings haben wir einigemal begegnen experimentellen Schwierigkeiten mit den bestehenden bildgebenden Verfahren verbunden sind, wie unten erwähnt. Der Zweck dieses Papiers ist es, einen neuen Weg zur Überwindung dieser Schwierigkeiten zu präsentieren und einen qualitativ hochwertigen Film von molekularen Drehwellenpaketen zu schaffen. Die erste experimentelle Film der molekularen Rotation mit dem vorliegenden Verfahren genommen, zusammen mit ihrer physischen Auswirkungen wurden in unseren früheren Papier ¹¹ dargestellt. Der Hintergrund der Entwicklung, die detaillierten theoretischen Aspekt der vorliegenden Bildgebungstechnik, und ein Vergleich mit anderen Techniken wird in einer der nächsten Papier gegeben werden. Hier werden wir in erster Linie konzentrieren sich auf die praktischen und technischen Aspekte des Verfahrens, einschließlich der Kombination der typischen Pump-Probe-optischen Aufbau und die neue Bildgebungsgerät. Wie in der früheren Arbeit wird das Zielsystem unidirektional rotierenden Stickstoffmoleküle ^11.

Die wichtigsten experimentellen Schwierigkeiten derbestehenden Abbildungseinrichtung, die schematisch in 1 gezeigt ist , hat mit der Position des Detektors oder der Kamerawinkel zu tun. Weil die Drehachse mit der Laserausbreitungseinstimmt Achse ^{6, 7, 8} in laserfeldinduzierte Molekülrotation ist es nicht praktisch , einen Detektor entlang der Drehachse anzubringen. Wenn der Detektor installiert ist, um die Laserbestrahlung zu vermeiden, entspricht die Kamerawinkel einer Seiten Beobachtung der Rotation. In diesem Fall ist es unmöglich , die ursprüngliche Orientierung von Molekülen aus dem projizierten (2D) Ionenbild ¹⁴ zu rekonstruieren. Eine 3D - Bilddetektor ^{14, 15, 16, 17, 18, 19,} mit denen die Ankunftszeit an der oberen Detektor und das Ionen impact Positionen gemessen werden, bot eine einzigartige Möglichkeit, direkt molekularen Rotation beobachten ¹⁰ unter Verwendung von Coulomb Explosion ^{Imaging, 12.} Jedoch sind die akzeptablen ion counts per Laserschuß niedrig (typisch <10 Ionen) in dem 3D - Detektor, was bedeutet , dass es schwierig ist , einen langen Film der Molekularbewegung mit hoher Bildqualität ¹⁴ zu schaffen. Die Totzeit der Detektoren (typischerweise ns) wirkt sich auch auf die Bildauflösung und Bildbearbeitungseffizienz. Es ist auch keine einfache Aufgabe durch Überwachung eines Echtzeit-Ionenbild mit einer Laserwiederholungsrate von <~ 1 kHz eine gute Pumpsondenstrahl überlappen zu lassen. Obwohl mehrere Gruppen Drehwellenpakete die 3D - Technik beobachtet haben, wurde die räumliche Information beschränkt und / oder direkte und eine detaillierte Darstellung der Wellennatur, einschließlich komplizierte Knotenstrukturen, nicht ^{10 erreicht, 12.}

Das Wesen derdie neue Imaging - Technik ist die Verwendung des "neuen Kamerawinkel" in Abbildung 1. In dieser Konfiguration Belichtungslaserstrahl zu einem Detektor vermieden wird, während die 2D-Detektor zur Rotationsebene parallel ist, zu der Beobachtung, von der Drehachsenrichtung führt. Der Schlitz erlaubt nur die Ionen in der Rotationsebene (die Polarisationsebene der Laserpulse) zu einem Bild beitragen. Ein 2D-Detektor, die eine höhere Zählrate (typischerweise ~ 100-Ionen) als ein 3D-Detektor bietet, kann verwendet werden. Der Aufbau der Elektronik ist einfacher als im Fall der 3D-Erkennung, während die Messeffizienz höher ist. Zeitaufwendige mathematischen Rekonstruktion, wie Abel Inversion ¹⁴ wird auch Winkelinformationen zu extrahieren , nicht benötigt werden . Diese Eigenschaften führen zu der einfachen Optimierung des Messsystems und auf die Herstellung von qualitativ hochwertigen Filmen. Ein Standard-2D / 3D-geladener Teilchen Bildgebungsgerät kann leicht an die vorliegende Einrichtung witho geändert werdenut die Verwendung teurer Ausrüstung.

Protokoll

HINWEIS: Durch dieses Protokoll, klären wir, was wir das vorliegende Verfahren zu entwickeln, tatsächlich tat. Genaue Parameter, einschließlich der Kammer und optische Aufbau-Design und die Größe und Art der Teile sind nicht immer wichtig, das gegenwärtige System des Lesers Gerät anzuwenden. Das Wesen der Verfahren wird als Noten in jedem Schritt gegeben werden.

1. Aufbau eines 2D-Slice-Bildgebungsgerät

ANMERKUNG: In diesem Schritt werden alle kommerziell verfügbaren Teile und Zubehör, wie beispielsweise einer Vakuumpumpe und einem Detektor, werden nach den Anweisungen des Herstellers installiert oder Handbüchern des Benutzers.

1. Wie bei der Konstruktion eines typischen 2D / 3D - Ionenabbildungsvorrichtung ^14, Design und Aufbau einer differentiell gepumpten Vakuumkammer , die genügend Platz hat ein gepulstes Ventil, molecular beam Skimmer, Ionenoptik (einen Stapel von 100 mm Ringe mit einem 50 mm aufzunehmen Loch), eine außeraxiale Ionenabbildungseinheit (apulsed Repellerelektrode und einen Stapel von Mikrokanalplatten, die durch einen Leuchtschirm gesichert) und eine Ionenflugröhre (> 200 mm Driftregion).
2. Bringen Sie die gepulste Ventil in die Kammertrennwand mit vier Gewindepfosten (15 cm, Φ12 mm), für die Bolzenlöcher an der Trennwand der Kammer konzentrisch sind. Installieren Sie die Molekularstrahl-Skimmer in die Kammertrennwand direkt vor der Düse eine Halteplatte verwendet wird.
   HINWEIS: Bei der Konstruktion eines Ionenabbildungsvorrichtung ist es wesentlich, daß die Molekularstrahlachse und Laserstrahlachse in der Achse der Ionenoptik schneiden. Um dies zu erreichen, ist es zweckmäßig, die Molekularstrahlachse als eine Quelle Kammerachse zu definieren. Schritt 1.2 ist für diesen Zweck. Darüber hinaus sollten die Skimmer Löcher mit der Düse des Ventils im Einklang sein, um sicherzustellen, dass das Zentrum der Molekularstrahlen, die differentiell gepumpten Stufe durch einen Skimmer eingeben. Es ist auch wichtig, das Gewicht des Pulsventils zu prüfen; daher ausreichend dickGewinde Pfosten muß das gepulste Ventil an der Trennwand zu verbinden, verwendet werden. Pflegen Sie die 15 cm Abstand zwischen der Düse und der Trennwand, um die Reflexionswirkung von Gas und Skimmer Störung ²⁰ zu vermeiden.
3. Installieren Ionenoptik zur letzten Stufe des differentiell gepumpte Kammer, wie sie in einem typischen Ionenabbildungsaufbau ^21.
   HINWEIS: Dieser Schritt wird wie folgt durchgeführt: Die Gewindebefestigungspfosten zur Kammertrennwand eingeschraubt sind. Auf den Pfosten wird ein Stapel von Ionenoptik anstelle mit Muttern verriegelt. Da die Schraubenlöcher für die Stellen mit der Kammer konzentrisch sind, fällt die Achse der Ionenoptik mit der des Molekularstrahls.
4. Installieren Sie die optischen Glasfenster (1 mm Dicke, 25 mm Durchmesser, Quarzglas) durch einen P16 O-Ring zwischen einem Vakuumflansch mit einem Loch platzieren und ein Fenster, so dass die Laserpulse die Molekularstrahl schneiden kann.
   HINWEIS: Durch diese Fenster, Laserpulse können die middl zugreifene der ersten und der zweiten Ionenelektroden und kreuzen die Achse der Ionenoptik.
5. Konstrukt eine außeraxiale Ionenabbildungseinheit (Abbildung 2).
   ANMERKUNG: In diesem Schritt, siehe Abbildung 2 , die 3-dimensionale Anordnung der Einheit zu verifizieren. Alle Elektrodenteile (der Ionendetektor und der Repeller) montiert sind an die Grundplatte 100 mm mit PEEK Bolzen, während die anderen Teile mit Edelstahl Schrauben montiert sind. Der Kern ist ein 2D-Bildgebungsdetektor in dem Ionendriftbereich zu montieren, so daß seine Detektoroberfläche an die Ionenoptik-Achse und senkrecht zu der Laserausbreitungsachse parallel ist. Selbstverständlich sind alle Teile in der Hochspannungs sollte elektrisch isoliert werden verwendet zu werden. Wir empfehlen, dass der Abstand zwischen der Ionenoptik (Flug) Achse und der Detektoroberfläche ist einige mm (im vorliegenden Fall 5 mm). Mit einem längeren Abstand, wird es mehr Zeit, um die Ionen zu einem Detektor zu drücken, und eine kürzere Distanz kann in Entladung zwischen der MCP s führenberfl und die gepulste repeller.
   1. Beachten Sie den Rand der Schlitzmesser (100 mm Länge) mit einem optischen Mikroskop (~ 30x) und / oder einem optischen Komparator und bestätigen, dass es keine Dellen oder Kratzer von mehr als 30 & mgr; m am Rand der Schlitzklingen angeordnet.
      HINWEIS: Die Schlitzklingen sollten parallel montiert werden, und keine Dellen und Kratzer sind akzeptabel. Die Abweichung von der parallel führt zur Inhomogenität der Ionendetektion. Ein Defekt des Blattes verschlechtert eines beobachteten Bildes (siehe die Diskussion Abschnitt).
   2. Mit Hilfe von kleinen Befestigungskrallen, befestigen Sie die Schlitzklingen an den Schlitzklingenhalter, der mit einer Feder verbunden von einem Paar von 122,4 mm Aluminiumplatten besteht, wie in einer Wäscheklammer. Fügen Sie außerdem eine sich verjüngende Aluminiumstange in die "Wäscheklammer".
      HINWEIS: Die Schlitzblätter sind auf der Knopfseite (Punkt Aufwand) montiert des Wäscheklammer. Wenn eine sich verjüngende Aluminiumstange eines gespitzten Bleistift artigen Form in die Quetschung Seite (Aktionspunkt) eingefügt des CLOthespin, wird die Schlitzbreite größer mit Tiefe Einsetzen des verjüngten Stange Erhöhung (siehe 2B). 1.5.2-1.5.4 Schritte für die Konstruktion des Schlitzes sind, dessen Breite während des Bildgebungsmess abgestimmt werden. Wenn Breite Tuning nicht erforderlich ist, installieren Sie einfach die Schlitzklinge ~ 10 cm vor dem Ionenstrahl vom Detektor geeignete Anbauteile wie Metall Krallen und gehen 1.5.5 zu treten.
   3. Bringen Sie die verjüngte Aluminiumstange in die lineare Bewegung Vakuumdurchführung (Mikrometer / Faltenbalg-basierte, ICF70 Größe) und montieren Sie den Schlitz Halter und Basis der Vakuumseite Ebene der Durchführung.
   4. Installieren der Schlitzeinheit oben auf eine ICF70 Vakuumöffnung konstruiert, die senkrecht sowohl auf die Detektorachse und zu der Ionenflugachse.
      HINWEIS: Die Position von ~ 10 cm stromaufwärts von dem Ionenstrahl von der Mitte des Detektors.
   5. Stellen Sie die Schlitzbreite auf 1 ± 0,1 mm mit einem Mikrometer verwendet wird.
      HINWEIS: Zum Beispiel ist die Verwendung eines 1 mm Schlitz für den 50-mm Newton Kugel (Ionenwolke) entspricht 2% Slicing, die als die Standard - Schichttechnik ²² höher in Auflösung. Die Spaltbreite bestimmt die Scheibe Auflösung; jedoch kleinere Breiten führen zu schwächeren Signalen.
   6. Installieren Sie eine gepulste Repellerelektrode von rechteckigen (115 mm x 160 mm x 3 mm) Platte aus rostfreiem Stahl, wie in Abbildung 2.
      HINWEIS: Der gepulste Repeller zu dem Detektor parallel sollte die Homogenität des gepulsten elektrischen Feldes zwischen ihnen zu gewährleisten.
   7. Installieren eines positionsempfindlichen Ionendetektor, bestehend aus einem Stapel von Mikrokanalplatten, die durch einen Leuchtschirm gesichert, so dass es parallel zu dem gepulsten repeller; folgen Standard - Montageverfahren ^{14, 23.}
   8. Installieren eines angeflanschten Vakuumansichtsfenster mit einer Kupferdichtung an der Rückseite des Leuchtstoffschirms.
6. Draht, der die Ionenoptik zu Hochspannungs-Stromversorgung und die Teile des DeteCtor (ein gepulster repeller, Mikrokanalplatten und einen Phosphorschirm) Hochspannungs-Versorgung gepulst (~ 50 ns Anstiegs- / Abfallzeit) über Stromdurchführungen.
   HINWEIS: Es sollte darauf geachtet werden, dass alle Kabel nicht unterbrechen die Beobachtung des Leuchtschirms durch das Bildfenster.
7. Verbinden des gepulsten Ventil mit dem Gaseinlaß (3% N & _sub2 ; -Gas in He; Gesamtdruck von 3 MPa) mit einem rostfreien Rohr und zur Ventilsteuerung mit einem Paar von beschichteten Kupferdrähten.
   HINWEIS: Die beiden Anschlüsse durch Vakuumdurchführungen bestehen.
8. Drehen Sie die Vakuumpumpen auf und stellen Sie den Druck des Abbildungsdetektorkammer niedriger als 10 ^-4 Pa, auch wenn das gepulste Ventil in Betrieb ist.
   Hinweis: Ein höherer Druck auf die Beschädigung der Hochspannungselektrode und Detektoren führen könnten. Wenn der Druck höher ist, größer Pumpen oder die Reduzierung der Wiederholungsrate des Ventils erforderlich ist. Unter Verwendung der vorliegenden Kammer und gepulsten Ventil, ein Stickstoffmolekularstrahl mit einem Rotational Temperatur unter 6 K ¹¹ erzeugt werden. An dieser Rotationstemperatur, 99% der Moleküle in der J ≤ 2 Zustand (J ist die Rotationsquantenzahl).

2. Aufbau einer Pump-Probe Optischer Aufbau

HINWEIS: Bei diesem Schritt siehe Abbildung 3 zu verstehen , wo und wie man die folgenden Schritte durchgeführt. Der Zweck dieses Schrittes ist drei kollinearen fs Impulse von einem handelsüblichen Ti zu erzeugen: Saphir - Laser - Verstärker für die Pump-Probe Experiment ^11. Der erste Impuls war für die molekulare Ausrichtung (linear polarisiert, Mittelwellenlänge von 820 nm, Spitzenintensität <30 TW / cm ^2), war die zweite für die Richtungssteuerung (einer verzögerten Replik des ersten, mit Ausnahme des linearen Polarisations +45 ° von der Polarisationsachse des ersten Impulses) geneigt ist, und das dritte war die Coulomb-Explosion-Abbildungssonde (zirkular polarisiertes, 407 nm, 1 00 fs, 600 TW / cm ^2). In diesem Schritt werden alle handelsübliche Teile und Ausrüstung, wie beispielsweise ein Polarisationsprüfung und eine optische Stufe werden installiert und verwendet gemäß der Anleitung des Herstellers oder Bedienungsanleitungen.

ANMERKUNG: In diesem Schritt werden alle optischen Komponenten nach den Standardverfahren der optischen Experimente installiert und genutzt werden und die Führung des Herstellers für die Optik. Alle Dreh- und dichroitische Spiegel verwendet werden, sind dielektrische Mehrschichtspiegel, um Laserleistungsverlust während der vielen Reflexionen im Strahlengang zu vermeiden. Einige der Optik und der Kristalle verwendet werden, in der Materialliste für diesen Artikel gezeigt.

1. Drehen Sie den Femtosekundenlaser (Ti: Saphir-Verstärker-System) auf und erwerben eine Laserleistung von mehr als 1,5 mJ / Puls, a ~ 35 fs Dauer, eine 820 nm Mittenwellenlänge und eine 500 Hz Repetitionsrate.
2. Bereiten Sie einen optischen Weg der Sonde (Imaging) Impulsef "> ^{10, 11, 12.}
   1. Installieren Sie einen nichtlinearen Kristall (BBO, Typ I, 0,2 mm Dicke, 29,2 °, für die Erzeugung der zweiten Harmonischen eines 820-nm-Licht) in der 820-nm optischen Pfad der zweiten Harmonischen (> 0,2 mJ) des zu erhalten Grundlaserausgang 820-nm. Verwenden Sie die erzeugten zweiten Harmonischen (407 nm-Licht) als Sonde Puls, nachdem sie durch dichroitische Spiegel und getrennt von der Grund 820 nm Licht reflektiert wird.
   2. Konstruieren Sie einen optischen Pfad, wie durch die blaue Linie in Abbildung 3 dargestellt. Mit Strahlsteuerung Spiegelhalterungen, richten diesen Strahl durch das Zentrum passieren beider in Schritt 1.4 installiert Fenster.
      HINWEIS: Die Schlüsselkomponenten bestehen aus einem Dämpfungsglied (die Kombination aus einer Halbwellenplatte und einen Polarisator), eine motorisierte Lineartisch für die Verzögerung Scannen und Wellenplatten für die Polarisation Tuning.
3. Bereiten einen optischen Weg für die Pumpe (Rotations exZitat) Impulse ^{24, 25, 26.}
   1. Konstrukt einen optischen Weg, wie durch die rote Linie in 3 gezeigt ist , und erhalten ein Paar von zeit- und polarisations abstimmbare fs Impulse.
      ANMERKUNG: Die restlichen 820-nm-Impuls (~ 1 mJ) nach der Erzeugung der zweiten Harmonischen in Schritt 2.2.1, von dem dichroitischen Spiegel ausgestoßen wird, wird verwendet, um diese Pumppulse zu erzeugen. Die typische Pulsenergie jedes Pumpimpulses beträgt 0,25 mJ. Die wesentlichen Komponenten bestehen aus einem Dämpfungsglied (die Kombination aus einer Halbwellenplatte und einen Polarisator), ein 50:50 Strahlteiler, eine manuelle lineare Phase für Zeitverzögerungs tuning, tuning Wellenplatten für die Polarisation und ein Teleskop für die Leuchtpunktgröße Optimierung.
   2. Durch die Einstellung der Neigung der Spiegelhalterungen in den optischen Pfad, richten das Paar von Pumpstrahlen parallel zu sein und ihre Mitte durch die Mitte der beiden Fenster in Schritt 1.4 installiert Pass.
      HINWEIS: Um dies zu überprüfen, einAusrichtungswerkzeug, ein Aluminiumblock mit angebautem Millimeterpapier verwendet wird. Das Werkzeug kann in der gleichen Position mit hoher Reproduzierbarkeit gestellt werden, um die Gewindebohrung eines optischen Tabelle. Zwei Schraubenlöcher in Linie sind als Leitfaden des parallelen Weg gewählt. Da das Ausrichtungswerkzeug in einer der ausgewählten Löcher positioniert ist, werden die Strahlen so ausgerichtet, dass sie den gleichen Punkt des Ausrichtungswerkzeug getroffen. Wiederholen Sie die Positionierung des Werkzeugs und die Ausrichtung des Strahls, bis der Strahl für beide Ausrichtungswerkzeugpositionen den gleichen Punkt des Werkzeuges trifft. Da die Schraubenlöcher in dem optischen Tisch in Linie mit hoher Genauigkeit sind, führen diese Verfahren zur Erzeugung der parallelen Strahlen.
4. Passen Sie die Polarisationszustände der Impulse.
   1. Installieren Sie einen Polarisations checker, kurz bevor die Impulse in die Kammer eintreten, so dass die Laserpulse auf den Detektor des Checkers getroffen.
   2. Stellen Sie den Winkel der Wellenplatten eine Drehoptik mit Halterung in jeder optical Weg. Besorgen Sie sich die zirkular polarisierte Sonde Puls, die vertikal polarisierte erste Pumppuls, und das linear polarisierte zweite Pumppuls; für die zweite Pumpe, kippen die Polarisationsebene 45 ° von der ersten Pumpe.
      HINWEIS: Bei der Verwendung eines Polarisations checker, kann der Polarisationszustand eines jeden Impulses als polares winkelabhängigen Transmissionsintensität visualisiert werden. Um eine zirkulare Polarisation zu erhalten, Einstellen der Verzögerungsplatte Winkel ein isotropes Bild zu erreichen, zum Beispiel.
   3. Entfernen Sie die Polarisations checker aus dem optischen Pfad.
      HINWEIS: Die erste Pumpe leitet richtungs undefiniert Rotation ^{4, 9, 10.} Zu der Zeit des momentanen molekulare Ausrichtung wird die zweite Pumpe geglänzt ein asymmetrisches Drehmoment zu erzeugen und die unidirektionale Dreh ^{12, 13} zu starten. Da eine zirkular polarisierte Sondenimpuls ionisiert the Moleküle ohne Winkel Präferenz in der Polarisationsebene, ist es geeignet für eine Winkelverteilung Messung.
5. Finden Sie die zeitliche Überlappung jedes Impulses.
   1. Installieren einer nichtlinearen Kristall (BBO, 0,2 mm Dicke, Typ 2, für die Dritte-Harmonische-Erzeugung von 820-nm-Licht), ein optisches Fenster, das die gleiche Dicke (3 mm) als die Summe aus der Kammer Fenster (1 mm) und die fokussierende Plankonvexlinse (2 mm) und ein Dispersionsprisma, kurz bevor die Impulse geben die Kammer.
      HINWEIS: Ein Standardverfahren, die Zeit Null (zeitliche Überlappung der Pump- und Probepuls) in der Pump-Probe Experiment zu bestimmen, ist eine nicht-lineare Antwort zu erfassen, die nur beobachtet, wenn sowohl die Pumpe und der Sondenimpuls gleichzeitig mit einem Medium interagieren . Hier wird die zeitliche Überlappung der 407 nm Sondenimpuls und die 820 nm Pumppulses in dem nichtlinearen Kristall führt zu einem 267 nm-Generation. Wir haben die zeitliche Überlappung der Strahlen in dem va zu schätzenumpumpe Kammer während Schritt 2.5.1 wird durchgeführt, bevor die Impulse die Kammer (und der Fokussierlinse und Raumfenster) eingeben. Daher wird die Zeitverzögerung durch das Kammerfenster und der Fokussierlinse, eine 3-mm optisches Fenster installiert wird eingeführt zu kompensieren. Zwei Pumpen und eine Sonde passieren durch das Fenster und dann den Kristall, und sie werden anschließend durch ein Prisma verteilt. Legen Sie ein weißes Blatt Papier nach dem Prisma die Erzeugung der 267-nm dritten Harmonischen als weiß-blaue Fluoreszenz zu erkennen. Alle genannten Teile sind an einem optischen Halter montiert.
   2. Blockieren Sie die Leitung der Pumpe 2 in Abbildung 3 mit einem Strahl dumper.
   3. Durch Drücken der Move-Taste auf einer Bühne Controller, scannen Sie den Motortisch und eine 267 nm-Generation finden.
      HINWEIS: Wenn die optische Weglänge der Pumpen- und Sondenimpulse die gleiche innerhalb der Dauer der Laserimpulse sind, einer dritten Harmonischen Signal erscheint. Diese Stufe Position wird als Zeitpunkt 0 angesehen, während der sowohl die Pumpe und derSonde schlagen gleichzeitig die Moleküle.
   4. Blockpumpe 1 und Entsperrung Pumpe 2 (entfernen Sie den Strahl dumper).
   5. Scannen Sie den & mgr; m-basiertes Handbuch Bühne installiert in der Pumpe 2 Linie und finden Sie die Position, an der die 267 nm Emission auftritt.
   6. Entfernen Sie den Kristall, das Fenster und das Prisma von der optischen Leitung.
      HINWEIS: In dieser Phase sind die drei Impulse am Molekularstrahl innerhalb des Laserdauern temporär überlappt. Die zeitliche Auflösung des Setup kann, während die Motortisch in der Sonde Weg Abtasten durch Überwachen und Aufzeichnen der 267 nm Energie als Kreuzkorrelation gemessen werden. In der vorliegenden Einrichtung, die volle Breite bei einem halben Maximum der Korrelationsfunktion ist ~ 120 fs. Die Impulsbreite wird optimiert, um die höchste Leistung der zweiten Harmonischen zu erhalten. Nach der Erzeugung der zweiten Harmonischen, passieren die Impulse durch Glaslinsen, Wellenplatten, dichroitische Spiegel, Polarisatoren, und der Kammerfenster zu einem Chirp führt. Da die Gruppenverzögerung Dispersion der Materialien in dem 400 nm-Bereich wesentlich größer ist als im 800-nm-Bereich, wir die Sendeoptik im Sondenpfad zu minimieren. Um die Zeitauflösung, Dispersionsmanagement zu verbessern, einschließlich eines Chirp-Spiegel-System, wird hilfreich sein.

3. Richten Sie für ein Messsystem

ANMERKUNG: In diesem Schritt werden alle im Handel erhältlichen Teile und Zubehör, wie zum Beispiel eine Stromversorgung und Verzögerungsgeneratoren, installiert und genutzt werden gemäß den Anweisungen des Herstellers oder Handbücher des Benutzers.

1. Impulssynchronisations
   1. Teilen Sie die 80,8 MHz Ausgang eines Femtosekunden-Oszillator bis 500 Hz mit einer schnellen Frequenz-Teiler, und verwenden Sie diese geteilte Ausgangs digitalen Verzögerungsgenerator 1 und einem fs-Verstärker auszulösen.
   2. Verwenden Sie eines der verzögerten Ausgänge der Verzögerungsgenerator 1 als Auslöser für den gepulsten Ventil.
      HINWEIS: Begrenzen Sie die Wiederholungsrate des Ventils akzeptabel vacu zu haltenum Bedingungen (weniger als 10 ^-3 Pa, zum Beispiel). In diesem Fall stellen wir den Wert auf 250 Hz.
   3. Installieren Sie eine schnelle Photodiode mit einem 400-nm-Transmission-Filter ausgestattet kurz nachdem die Strahlen in die Kammer zu verlassen, und verwenden Sie den Ausgang dieser Diode als Auslöser für den digitalen Verzögerungsgenerator 2.
      HINWEIS: Der Abtastimpuls wird als Zeitursprung für die Ionenbildelektronik verwendet.
   4. Schließen Sie drei Hochspannungsschalter zur digitalen Verzögerungsgenerator 2 mit Koaxialkabel.
2. Schalten Sie alle Hochspannungs-Stromversorgung und schaltet sich ein.
3. Erhöhen , um die Spannung auf die Zielwerte.
   HINWEIS: Die Zielspannungen sind abhängig von der Größe der Vorrichtung und das System von Interesse. Typische Werte im vorliegenden Fall sind in der Legende zu Abbildung 1 gezeigt. Um verzerrungsfreie Bilder zu erhalten, Feinabstimmung der Bias - Spannungen erforderlich ist , ¹³ (siehe Schritt 4.1.7). Eine schnelle Erhöhung der Spannungswert kann in dem Entladungs ​​führenoder Beschädigung der Elektronik. Es wird empfohlen, einen Anstieg von weniger als 100 V / s für den täglichen Betrieb und eine Erhöhung von 100 V / 300 s für den ersten Gebrauch in einem Vakuum.
4. Installation und Positionierung der Bildkamera
   1. Installieren Sie eine Digitalkamera mit einem f = 25 mm Kameralinse auf der optischen Post ausgestattet vor dem Vakuum - Ansichtsfenster in Schritt 1.5.5 eingestellt. Sicherzustellen, dass die Kameraachse auf der Detektoroberfläche senkrecht steht. Da die Ansichtsfenster senkrecht zur Bodenebene ist, verwenden Sie eine Wasserwaage, die Kamerabasis horizontal relativ zum Boden auszurichten.
      HINWEIS: Feineinstellungen der Position sind, in einem späteren Schritt durchgeführt.
   2. Installieren Sie einen Lüfter für die Kamera so, dass der Wind die Kamera von hinten trifft.
   3. Decken Sie den Bereich zwischen dem Kameraobjektiv und dem Vakuum-Ansichtsfenster mit einem Vorhang, so dass unerwünschtes Licht, wie Umgebungsraumbeleuchtung, die Kamera nicht ein.
   4. Schließen Sie die Kamera an einen Computerüber einen USB 3.0-Anschluss.
   5. Starten Sie die Kamera-Steuersoftware und maximiert die Verstärkung der Kamera durch den Maximalwert in dem Verstärkungssteuerabschnitt der Software eingeben.
   6. Stellen Sie die Bildgröße in der Regel 1200 x 750 Pixel.
      Hinweis: Obwohl eine größere Bildgröße zu einer höheren Auflösung führt, begrenzt die Datenrate des USB-3.0-Port des akzeptablen Framerate. Bei den aktuellen Einstellungen, mehr als 250 fps erreicht werden, die hoch genug ist, um ein Bild für jeden Gaspulsbelastung (250 Hz) zu erhalten.
   7. Starten Sie Bilder mit der Kamera erfassen, indem Sie die "Grab" klicken. Manuelle Einstellung der Position der Kamera, so dass das Bild den gesamten Bereich des 2D-Detektor umfasst. Befestigen Sie die Kamerahalterung mit einer Schraube.
   8. Durch die Überwachung in Echtzeit aufgenommenen Bildes, stellen Sie den Fokusring der Kameralinse, so dass die hellen Ionenpunktgröße minimal wird.

4. Messungen

HINWEIS: Die mich asurement hier verwendete Methode ist eine Kombination der gemeldeten Verfahren ^{14, 27} und der vorliegenden Imaging - Setup. In diesem Schritt werden alle kommerziell verfügbaren Teile und Zubehör, wie beispielsweise Hochspannungselektronik, installiert und verwendet gemäß der Anleitung des Herstellers oder Bedienungsanleitungen.

1. Das Finden der Signal und Optimierung der Einstellungen für die Ionen Bildgebung
   1. Blockieren die Pumpimpulse des optischen Systems mit einem Strahl Kippers.
   2. In der Mitte der ersten und der zweiten Elektroden der Ionenoptik, installieren Sie eine plankonvexe Linse (f = 120 mm) , um die Sonde Laserimpuls an den Molekularstrahl zu fokussieren.
   3. Stellen Sie die Zeit der Hochspannungsschalter (ein digitales Verzögerungsgenerator - Ausgang) auf die geschätzte Ankunftszeit der N ₂ ⁺ Ion, das die größte Signalstärke unter dem gegenwärtigen Gaszustand ^{14 liefert,}s = "xref"> 27.
      HINWEIS: Die Ankunftszeit kann aus der Ionenoptik Vorspannungen und der Entfernung von Flug geschätzt werden, zusammen mit dem Masse-zu-Ladungs - Verhältnis des Zielions ^28. Andernfalls wird die Zeitüberprüfung ist die andere Lösung, um ein Signal zu detektieren.
   4. Während der Ionenbildüberwachung, stellen Sie die Objektivposition mit einem xyz-Stufe und der Gaspulszeit (ein digitales Verzögerungsgenerator-Ausgang), und erwerben die größte Signal (hellsten und größten Bild).
   5. Ändern Sie die Zeit der Hochspannungsschalter auf die Coulomb explodierte N ²⁺ Kanal ^{14, 27.}
      Hinweis: Da die Masse-Ladungs - Verhältnis von N ^{2 +} viermal kleiner ist als die von N ₂ ^+, die Ankunftszeit der N ²⁺ ist fast zweimal schneller als die von N ₂ ^+.
   6. Verringern Sie die Kamera Bildrate auf ~ 20 fps und erhöhen Sie die Belichtungszeit auf 50 ms.
      Hinweis: Bei dieserEinstellung enthält das Kamerabild, das Signal für 12 Gaspuls Beladungen. Obwohl dies zur Überlappung einiger Ionen führt, können wir leicht bewerten und die grobe Form der Ionenverteilung zu erkennen.
   7. Passen Sie die Ionenoptik Verzerrungen, so dass die beobachtete Ionenverteilung ein unverzerrtes Ellipse wird.
      HINWEIS: Eine Verringerung der Biasdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Elektrode resultiert in der Verlängerung der vertikalen Richtung (Ionenoptik - Achse) in der vorliegenden Anordnung ^{29, 30.} Die dritte oder spätere Optik für die Feineinstellung der Form verwendet. Die Verzerrung der Ellipse verschlechtert die Winkelauflösung von der Bild rekonstruiert.
2. Die Suche nach einer Pump-Probe - räumliche Überlappung
   1. Entsper Pumpe 1, einen Strahl dumper entfernen, aber halten Pumpe 2 blockiert.
   2. Stellen Sie das Teleskop der Strahltaille des Pumpimpulses in einem Molekularstrahl zu lokalisieren.
      HINWEIS: Do not Change die Position der Fokussierungslinse vor dem Kammerfenster, die für die Sondenimpuls optimiert ist.
      Hinweis: Dieses Verfahren kann durch die Reflexion der Laserstrahlen auf den freien Raum unter Atmosphärendruck durchgeführt werden, bevor sie in die Vakuumkammer ein. Durch Messung der Teleskop kann die Brennweite für die gleiche Eingangslinse, optimiert werden.
   3. Sorgfältig stellen Sie die Punktposition des Pumpstrahls mit hochauflösenden Spiegelhalterung 1 (Abbildung 2), und aufgrund der Pump-Probe überlappen die verstärkte Signal in der Ionenbild finden. Vor oder nach dem, eingestellt t ~ 4 ps durch eine Verzögerungsstufe 600 um vorwärts zu bewegen. Finden Sie den stark anisotropen Bild entlang der Pumpe 1 Polarisation.
      Hinweis: Da die Zeitüberlappung grob in Schritt 2.5 optimiert wurde, wird nur die räumliche Überlappung muss abgestimmt werden. Wenn die Rotationskonstante oder Wellenpaketdynamik für das Zielmolekül bekannt sind, ist eine alternative Wahl der Sonde Verzögerung auf ein instantaneou einzustellens molekulare Ausrichtung Zeit. Beispielsweise könnte es bei Δ t ~ 1/2 B auftreten, wobei Δ t die Zeitdifferenz zwischen der Pumpe und dem Sondenimpuls ist und B die Rotationskonstante in Hz ^{10, 11.} Für N _2, ~ 8,3 ps. In einer solchen Zeit führt die Pump-Probe räumliche Überlappung der Ionenverteilung das Maximum in der Pumpe Polarisationsrichtung (vertikal im vorliegenden Fall), und das Minimum in der senkrechten Achse zeigt. Es ist einfacher , eine solche Ausrichtung Signatur bei Δ t ~ 0 erhalten zum Brutto Verbesserung im Vergleich zu finden. Im Hinblick auf die Änderung des Δ t, zur Kenntnis, dass nach der Lichtgeschwindigkeit, einer 5 um Bewegung der Bühne entspricht ~ 33,356 fs.
   4. Blockpumpe 1 und Entsperrung Pumpe 2.
   5. Wiederholen Sie Schritt 4.2.3 für Pumpe 2. eine Pump-Probe überlappen finden für Pumpe 2 durch Einstellung hochauflösende Spiegelhalterung 2 (Abbildung 2) unter Beibehaltungder optische Weg der Pumpe 1 unverändert.
      Hinweis: Sicherstellen, dass die Polarisation der Pumpe 2 verkippt ist, so dass die Ausrichtung entlang einer schrägen Richtung beobachtet wird, wenn die Zeit, zu der Ausrichtungszeit eingestellt ist.
3. Beachten Sie kurz die unidirektionale Drehdynamik
   1. Entblocken Pumpe 1 die Zeitverzögerung zwischen den Pumpen 1 und 2 Stellen zur Ausrichtungs Zeit (zB 4,0 ps für eine N ₂ Fall ^{10, 11)} mit dem manuellen Verzögerungsstufe 1 in 2.
   2. Überprüfen, um festzustellen, ob die unidirektionale Drehung von Kamerabildern erkannt werden kann, wenn die Sonde Verzögerung (mit einem motorischen oder manuellen Stufe) abgetastet wird.
      HINWEIS: Wenn alle obigen Verfahren auch durchgeführt werden, kann man die Bilder in dem sehen der hellste Bereich glatt in eine Richtung dreht, wenn die Sonde Verzögerungs abgetastet wird. Wenn ein solcher Film nicht gesehen werden kann, sorgfältig Schritte wiederholen 4,1-4,2. Die Drifteffekt von optischen Halterungen verschlechtert manchmal die Strahlüberlappung.
      HINWEIS: Nach der Lichtgeschwindigkeit, eine 5 um Bewegung der Bühne entspricht ~ 33,356 fs. Lediglich für Beobachtungszwecke sind die oben genannten Verfahren ausreichend. Für die Erfassung und detaillierte Analyse der Bewegung, gehen Sie auf die folgenden Schritte auf.
4. Setup - Messungen
   1. Erhöhen Sie die Kamera Bildrate auf 250 Bilder pro Sekunde und eine Verringerung der Belichtungszeit ~ 4 ms.
      HINWEIS: Ein Kamerarahmen für ein Laserschuss / Gaspuls Laden zu einem Bild entspricht.
   2. Starten Sie das Messprogramm, das die Instrumente steuert, erfasst die Bilder und analysiert und visualisiert Daten.
   3. Klicken Sie auf die Schaltfläche ausführen und 1.000 Bilder aufnehmen, während die Pumpstrahlen blockiert.
   4. Passen nummerisch das summierte Bild mit einer Ellipse und erhalten die Elliptizität ε und den Mittelpunkt der Ellipse (x _0, y _0).
      HINWEIS: Wenn ein RAW-Bild has mehr als eine Ellipse aufgrund der vielen Kanäle der Coulomb-Explosion, begrenzen den Bereich von Interesse und verwenden Sie nur eine der Ellipsen.
   5. Erfassen Sie 100.000 Bilder, während die Pumpstrahlen blockiert und verwenden das erhaltene Bild als sonden nur Referenz.
      HINWEIS: Das Signal-zu-Rausch-Verhältnis des sonden nur Referenzbild wirkt sich auf die Qualität der Winkelverteilung. Daher ist eine relativ lange Mess (~ 400 s) wird für diesen Schritt getan.
5. Einen Film von unidirektionalen molekularen Rotation
   1. Hemmungslos Pumpstrahlen.
   2. Stellen Sie die Sonde Zeit auf einen negativen Wert (t ~ -100 fs, dh bevor die Pumpstrahlen).
   3. Starten Sie die Messschleife, mit den folgenden Schritten
      1. Aufnehmen eines Bildes. Finden Sie die Mitte-of-Masse jedes hellen Ionen - Spot zu koordinieren und zu digitalisieren , das Bild von "1" auf der Mitte der Masse Koordinaten und "0" zu den anderen Pixeln ²⁷ Zuweisen .
      2. Addieren Sie die binarisierten Bilder für 10.000 Kamera Rahmen von "die Anzahl der Bilder" Eingabefeld des Programms bis 10.000 einstellen.
         HINWEIS: Um den Sättigungseffekt, stellen Sie die Bildtiefe des summierten Bildes auf 16 Bit zu vermeiden.
      3. Konvertieren Sie die Kamera (x, y) auf der Polarkoordinaten die Elliptizität mit ε in Schritt 4.4.4 bestimmt.
         Hinweis: dieser Vorgang abgeschlossen ist , wie folgt: In der elliptischen Region von Interesse, die alle die Pixelkoordinaten (x, y) zu ihrer relativen Polarkoordinaten umgewandelt werden , & phgr; die folgende Gleichung verwendet:
         
         HINWEIS: Dieser Schritt ist auf die Bildexpansion in der vertikalen Richtung entspricht, wenn eine Ellipse zu einem Kreis zu konvertieren.
      4. Konvertieren Sie das erhaltene Bild auf ein Polardiagramm, in dem die winkelabhängige Signalintensität, wenn der Abstand vom Ursprung aufgetragen ist.
         HINWEIS: Angle-abhängige Wahrscheinlichkeit P (Φ) berechnet die folgende Gleichung:
         
         
      5. Normalisieren der Polarplot, durch die der Sonde geschützte Referenz dividiert wird.
         Hinweis: dieser Schritt eicht sowohl die unvollständige Zirkularpolarisation des Sondenimpulses und die Inhomogenität des Abbildungsdetektors.
      6. Bewegen Sie die Sonde Uhrzeit um ~ 33,356 fs.
         HINWEIS: Ein 33,356-fs Verschiebung der Sonde Zeit entspricht einer 5 um Bewegung des motorisierten Lineartisch.
   4. Weiterhin die Schleife , bis mindestens ein Rotationswiederbelebung Periode 1/2 B (~ 8,3 ps für N ₂₎ wird nach der Pumpe 2 Zeit vergangen.

Ergebnisse

4A zeigt eine Sonden nur rohes Bild der N ²⁺ -Ionen ausgeworfen der Sonden Bestrahlung (Coulomb - Explosion), genommen für eine Sonde Laserschuss. Jeder helle Punkt entspricht einem Ion. 4B zeigt eine summierte Bild von 10.000 binarisiert RAW - Kamerabilder. Diese Bilder zeigen, dass unsere Imaging-Setup die Moleküle aller Orientierungswinkel in der Polarisationsebene zu überwachen. 4C zeigt die normierte Polarplot d...

Diskussion

Das vorliegende Verfahren ermöglicht es uns, eine Echtzeit-Film der molekularen Rotation mit einem Schlitz-basierte 2D-Imaging-Setup zu erfassen. Da die beobachteten Ionen durch den Schlitz passieren, Schritt 1.5 ist einer der entscheidenden Schritte. Die Ränder der Schlitz Messer müssen scharf sein. Wenn es einen kleinen Defekt, wie beispielsweise ein 0,3 mm Loch in dem Schlitz wird ein Kratzer in der Ionenbild (Abbildung 6) beobachtet. In einem solchen Fall sollte die Spaltklinge mit 2.000-Körnung...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
CMOS camera	Toshiba TELI	BU-238M-ES	equipped with SONY IMX174 sensor
High voltage switch	Behlke	HTS-41-03-GSM
High voltage switch	Behlke	HTS-80-03
Digital delay generator	Stanford research systems	DG535
Digital delay generator	Stanford research systems	DG645
Microchannel plate	Photonis	3075
Pulsed valve	LAMID LTD	Even-Lavie valve	High repetition, room temperature model
Molecular beam skimmers	Institute for Molecular Science	13C11	3 and 1.5 mm center hole, 25 degrees full inner angle, and ~50 mm length
Optical Comparator	Nikon	V-24B
DPSS laser	Lighthouse Photonics	Sprout
Femtosecond Ti:Sapphire oscillator	KMLabs	Halcyon
Femtosecond Ti:Sapphire amplifier	Quantronix	Odin-II HE
Motorized linear stage	Sigma Koki	KST(GS)-100X
Manual X-stage	Sigma Koki	TSD-601S
High resolution mirror mount	Newport	Suprema SX100-F2KN-254
High resolution mirror mount	LIOP-TEC GmbH	SR100-100R-2-HS
Polarization checker	Paradigm Devices, Inc.	O-tool VIS
Instrument communication interface	National Instruments	NI-MAX
Graphical development environment for measurement programs	National Instruments	LabVIEW 2014
Laser line dielectric mirror	CVI/LEO	TLM2-400/800-45UNP
Laser line dielectric mirror	Altechna	Low GDD Ultrafast mirror
Laser line dielectric mirror	Altechna	Low GDD Ultrafast mirror
Femtosecond polarizer	Advanced Thin Films	PBS-GVD