JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • תוצאות
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

אנו מציגים פרוטוקול דורשים בדיקה מרביים הרטט coherences ב polyatomic קטיונים רדיקלי כי התוצאה דיסוציאציה מולקולרית.

Abstract

אנו מציגים לפעולת משאבת-בדיקה להכנה הרטט coherences ב polyatomic קטיונים הרדיקלית של חיטוט שלהם דינמיקה מרביים. ידי הסטה אורך הגל של דופק חזק-שדה משאבת ionizing של ה-800 נפוץ nm לתוך-סגול (1200-1600 ננומטר), התרומה של אלקטרון אנווריאנטים מינהור את תהליך יינון מגביר ביחס multiphoton הקליטה. יינון אנווריאנטים תוצאות האוכלוסייה הדומיננטית של מצב הקרקע אלקטרונית יונים על הסרת אלקטרון, המכין ביעילות קוהרנטי הרטט מדינה ("חבילת גלים") נוטה עירור עוקבות. בניסויים שלנו, הדינמיקה הרטט קוהרנטי הם שנבדק עם דופק חלש-שדה 800 nm ו התשואות תלויי-זמן של דיסוציאציה מוצרים נמדד הזמן-של-טיסה ספקטרומטר מסה. אנו מציגים את המידות מולקולה דימתיל מתילפוספונט (DMMP) כדי להמחיש כיצד באמצעות 1500 ננומטר פולסים עבור עירור משפר את משרעת התנודות קוהרנטי יון תשואות לפי פקטור של 10 לעומת 800 פולסים ננומטר. ניתן ליישם פרוטוקול זה כיוונונים קיימים משאבת-בדיקה באמצעות מגבר פרמטרית אופטי (אופה) עבור אורך גל המרה.

Introduction

מאז המצאת הלייזר בשנת 1960, מטרת באופן סלקטיבי שבירת קשרים כימיים בתוך מולקולות הוא חלום ארוכת שנים של כימאים, פיזיקאים. היכולת לכוון את שניהם לייזר תדירות והיה בעוצמה האמין כדי לאפשר המחשוף ישירה של קשר היעד דרך ספיגת אנרגיה סלקטיבי תדירות הרטט המשויך1,2,3,4 . אולם, הניסויים הראשונים מצאו כי התפלגות הרטט הפצה מחדש של האנרגיה נספג לאורך המולקולה לעיתים קרובות גרמו המחשוף לא בררניים של4,בונד החלשה5. זה לא היה עד התפתחות הפמטו-שנייה פעמו לייזרים, בטכניקה המשאבה-בדיקה6 בסוף שנות השמונים ישירה מניפולציה של מצבים קוהרנטיים הרטט, או "גל מנות", מופעלת שליטה מוצלחת על המחשוף בונד ועוד מטרות6,7,8. משאבה-בדיקה מדידות, שבה הדופק "משאבה" מכינה של עירור או יון שמגורה לאחר מכן דופק השהיית זמן "בדיקה", להישאר אחת מהטכניקות הנפוצה ביותר ללימוד תהליכים מרביים מולקולות9, 10,11,12,13,14,15,16,17,18, 19,20.

מגבלה משמעותית כדי ללמוד על דיסוציאציה מרביים הדינמיקה של קטיונים הרדיקלי polyatomic באמצעות משאבת-בדיקה עירור מצמידים לאיתור המונית spectrometric נובע nonselective פיצול של מולקולת המטרה על ידי המשאבה ionizing דופק על אורך הגל Ti:Sapphire של 800 nm21,22,23. פיצול עודף זה נובעת יינון multiphoton nonadiabatic, יכול להיות חמאני הסטה הגל עירור לתוך-סגול (למשל., 1200-1500 ננומטר)22,23,24, 25. באורכי גל אלה ארוכים, התרומה של אלקטרון אנווריאנטים מינהור גדל ביחס עירור multiphoton22,תהליך יינון23. מינהור אנווריאנטים מאציל מעט עודף אנרגיה מולקולה וטפסים מצב הקרקע בעיקר "קר" יונים מולקולרית19,22,23. העבודות הקודמות שלנו הוכיח כי השימוש של עירור אינפרא אדום משפר באופן משמעותי את הכנת excitations הרטט קוהרנטי, או "גל מנות", ב- polyatomic קטיונים קיצוני לעומת 800 nm עירור19, 20. העבודה הזאת ימחיש את ההבדל בין שדה חזק יינון נשלט על ידי תרומות multiphoton, מנהור עם משאבה-בדיקה מדידות המתבצעות על לוחמה כימית סוכן simulant דימתיל מתילפוספונט (DMMP) באמצעות 1500 ננומטר ו-800 ננומטר משאבת אורכי גל.

בניסויים שלנו-משאבת-בדיקה, זוג פעימות לייזר ultrashort היא השהיית זמן, משולבות מחדש של, ממוקד לתוך ספקטרומטר מסה זמן-של-טיסה, כפי שמוצג בתוכנית ההתקנה שלנו באיור1. ניסויים אלה דורשים מגבר משובי Ti:Sapphire בהפקת > 2 mJ, 800 nm, 30 fs פולסים. פלט מגבר מפוצל במפצל קרן 90:10 (% r: %T), שם רוב האנרגיה משמש כדי לשאוב מגבר אופטי פרמטרית (אופה) לדור של 1200-1600 nm, 100-300 µJ, 20-30 fs פולסים. הקוטר של קרן IR משאבת מורחב עד 22 מ"מ וקוטר קרן 800 nm בדיקה ממוקדת כלפי מטה 5.5 מ מ, cored באמצעות קשתית העין. אלה collimations לגרום התמקדות קרן משאבה הקטנה משמעותית קרן למותניים (9 מיקרומטר) מאשר קרן בדיקה (30 מיקרומטר), ובכך מבטיחה כי כל יונים נוצר במהלך הדופק משאבת ionizing מתרגשות את דופק השהיית זמן בדיקה. תצורה זו משמשת כי מטרת הניסויים שלנו היא לחקור את הדינמיקה של יון מולקולרית האב, אשר עלול להיווצר בכלל בעוצמות נמוכות ליד הקצוות של הקורה ממוקד. נציין כי אם הדינמיקה של מינים יוניים. נרגש מאוד יותר עניין, ואז הקוטר קרן בדיקה יש לעשות קטן יותר מזה של המשאבה.

הפולסים משאבת, בדיקה להפיץ collinearly, ממוקד לאזור החילוץ של ווילי-מקלארן זמן-של-טיסה ספקטרומטר מסה (תוף-MS)26 (איור 2). דגימות מולקולרית ממוקם בקבוקון צמוד לים, נפתח לואקום. תוכנית התקנה זו מחייב המולקולה תחת חקירה של לחץ אדים שאינו אפס; עבור מולקולות עם לחץ אדים נמוכה, הבקבוקון עשוי להיות מחומם. הזרימה של מדגם גזי אל החדר נשלטת על ידי שני שסתומים משתנה הדליפה. המדגם נכנס לתא דרך "1/16" פלדת אל-חלד שפופרת כ 1 ס מ מן המוקד לייזר (איור 2) על מנת לספק ריכוז גבוה באופן מקומי של מולקולת המטרה אזור החילוץ27. הצלחת החילוץ יש חתך 0.5 מ מ מונחה אורתוגונלית אל שבילי הפצת ויון לייזר. מכיוון שטווח ריילי של הקורה המשאבה הוא בערך 2 מ מ, שסע זה משמש מסנן, ומאפשר רק יונים שהופקו מאמצעי האחסון מוקד מרכזי איפה העוצמה הגבוהה ביותר לעבור הצלחת החילוץ28. היונים הזן צינור ללא שדה סחיפה 1 מ' כדי להגיע את Z-gap מיקרו ערוץ צלחת (MCP) גלאי29, בהם הם זוהו, הקליט עם אוסצילוסקופ דיגיטלי 1 ג'יגה-הרץ בקצב החזרה קילוהרץ 1 של לייזרים Ti:Sapphire מסחרי טיפוסי.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

הערה: כל חלקים כגון לייזר, משאבות ואקום, הקאמרית, שפופרת זמן-של-טיסה ו microchannel צלחת גלאי והכלים שנרכשו מסחרית היו מותקנים פעל על פי הוראות היצרן או ידנית של המשתמש. משקפי בטיחות לייזר המיועד עוצמות לייזר ההפעלה, אורכי הגל צריך להיות שחוקים.

1. בניית תוף-MS26

  1. לתכנן ולבנות חדר (UHV) ואקום על קוליים כי יש מספיק מקום כדי להכיל מחסנית רגילה של יון אופטיקה26 והוראות כדי לטעון את windows אופטי ב- 2 ¾" flanges משני צדי אופטיקה יון (איור 1).
  2. לצרף את ערימת אופטיקה יון רכוב על צינור 1-m טיסה אל התא.
    הערה: כדי לחסוך מקום על השולחן האופטי, זה הכי קל לטעון את המערכת האופטית של יון, טיסה צינור אנכי.
  3. הכנס צינור נירוסטה "1/16" אל החדר בין הלוחות extractor ו repeller ב, חוט הצינורית החוצה מהחדר, וחבר ל ¼" צינורות נירוסטה27. לצרף שסתומים הדליפה משתנה אחד או יותר לצנרת נירוסטה ¼".
    הערה: זכוכית צינורות המכיל דוגמאות מולקולרי או מיכלי גז עשוי יהיה קשור הזה אבובים על כניסת הדגימה.
  4. צרף אוסף צלחת 18 מ מ microchannel Z-מחסנית תצורה29 על קצה הצינור הטיסה.
  5. לצרף שני חלונות אופטי (בעובי 1 מ מ, קוטר 50 מ מ, fused סיליקה) רכוב על 2 ¾" flanges לתא.
    הערה: קרני לייזר להפיץ דרך אלה שני חלונות בחלל בין הלוחות repeller ב ו extractor.
  6. להעביר את אופטיקה יון והגלאי בעוצמה גבוהה אספקה באמצעות feedthroughs הנוכחי והכבלים BNC.
  7. לצרף אחד משאבת turbomolecular התא ליד את אופטיקה יון משאבה השני בסוף הצינור טיסה ליד הגלאי (איור 1). להתחבר שתי משאבות משאבת גיבוי המתאימה.
    התראה: בעת צירוף משאבה turbomolecular לסוף צינור טיסה רכוב אנכית, לטפל כדי להבטיח כי המערכת תוף לא להישען לצד אחד בשל המשקל של המשאבה. אפשרות לפתור בעיה זו על-ידי הצמדת תא ואקום אל השולחן האופטי.
  8. להפעיל את המשאבות ולהמתין 24 שעות ביממה. הלחץ בתא צריך להיות מתחת טנדר של גוה של 10-8 עם דגימת אין. אם הלחץ הוא גבוה, איתור נזילות, להדק את האגוזים או לאפות את החדר עד הלחץ הרצוי.

2. בניית משאבת אופטי ונתיבי בדיקה

הערה: דיאגרמה של המשאבה ואת השבילים בדיקה אופטית ניתנת באיור1.

  1. הוראה של פעימות לייזר הפמטו-שנייה
    הערה: פעימות לייזר הפמטו-שנייה (800 ננומטר) נמסרו על-ידי מקור משובי מגבר Ti:Sapphire המסחרי פעל על פי הוראות היצרן.
    1. להפעיל את הלייזר והמתן כ 30 דקות על זה עד שהוא יתייצב.
    2. המיקום 90:10 (% r: %T) לשגר ספליטר לאחר הלייזר פלט כדי להפיק העתק שני, אשר ישמש כדי לבנות את המשאבה ולאחר בדיקה קרן קווים. בדוק את עוצמת הלייזר של שני עותקים משוכפלים כדי להבטיח אספקת חשמל מספקת משלוח.
    3. לכוון את קרן משתקף למגבר פרמטרית אופטי (אופה) ולמטב את הכוח הפלט באמצעות ההליכים במדריך.
  2. הכנת אופטי המשאבה
    1. הגדר את תוכנת OPA כדי לבחור את אורך הגל הרצוי.
    2. לכוון את הקרן פלט מן אופה באמצעות לוחית גל λ/2 (בכורה) ומקטב (P).
    3. לחסום את קרן מקוטב-p ולכוון את קרן מקוטב-s כדי קעורה (f =-10 ס מ), קמורה (f = 50 ס מ) מראות כדי להרחיב את קוטרו לפי פקטור של 5.
    4. כוונו את קרן המורחב למראה ודיקרואיק זוהר (DC).
  3. הכנה של הנתיב בדיקה אופטית
    1. לכוון את קרן העובר דרך המפצל קרן 90:10 למראה קמורה (f = 20 ס מ) ומראה קעורה (f =-10 ס מ) כדי להפחית את קוטרו לפי פקטור של 2.
    2. לכוון את קרן ממוקדת כלפי מטה כדי חלול רטרו-רפלקטור רכוב על שלב עיכוב ליניארי ממונע. התאם את ידיות הרכבה של שתי מראות שטוח לפני רטרו-רפלקטור כדי לוודא את מיקום קרן לאחר רטרו-רפלקטור לא משנה כאשר השלב מועבר לאורך טווח הנסיעה המלא שלה.
      הערה: פעולה זו מבטיחה כי החפיפה המרחבי משאבת-בדיקה יישמר על פני הטווח סריקה מלאה.
    3. הוספת מסנן דחיסות נייטרלית tunable (ND) לאחר שלב עיכוב כדי להחליש את עוצמת הדופק בדיקה, להוסיף קשתית העין לאחר שמסנן ND כדי להתאים את קוטר הקרן לכוון את הקרן למראה ודיקרואיק זוהר (DC).
  4. מדידה של המשכים הדופק משאבת, בדיקה
    הערה: משך הזמן של הפולסים משאבת, בדיקה נמדדים עם אצבע שניה בבית שנבנה דור הרמונית-תדירות נפתרה ההתקנה gating (SHG-צפרדע) אופטי. פרטים על הקמה של ההתקנה SHG-צפרדע, תהליך המדידה, וכן לאחזור נתונים אלגוריתמים הם תיארו במקום אחר30,31,32. בניסויים שלנו, הדופק משכים לצאת אופה הם בדרך כלל בסביבות 20 fs וזו של 800 nm דופק בסביבות 30 fs19,20,27. עם זאת, Opa יכול להציג את העיוותים הדופק מסדר גבוה, ולכן יהיה צורך ליישם את הדופק-דחיסה באמצעות, למשל, מראות chirped10,11,12,13 או אקוסטו אופטי אפנן16.
    1. לחסום המשאבה או בדיקה קרן. ישיר הקרן הנותר לתוך הצפרדע עם מראות שטוחות לאחר המראה ודיקרואיק זוהר המשלב הפולסים משאבת, בדיקה.
    2. ודא כי הקרן שני משכפל ב החפיפה צפרדע בקריסטל β-בריום-בוראט (בסדר). להתאים את הבמה יישור ועיכוב של קרן עד קרן השלישי יהיה גלוי בין שתי הקורות המקורי.
    3. עם קשתית, f = 10 ס"מ העדשה, בידוד ונוחות הקרן לתוך הר סיב מחובר ספקטרומטר והמחשב.
    4. לאסוף את הסריקה צפרדע ולאחזר את הצורה דופק עם תוכנה מתאימה, אחזור אלגוריתם.
    5. חזור על צעדים 2.4.1-2.4.3 הקורה אחרים. הסר את המראות בימוי קורות לצפרדע.
  5. קשה החפיפה המרחבי של הקורות משאבת, בדיקה
    הערה: אם משאבת והן בדיקה קורות גלויים, שלב 2.5.1 אולי ניתן לדלג.
    1. הכנס גביש בסדר בקוטר 15 מ מ לאחר ודיקרואיק זוהר להכפיל את אורכי הגל של שתי הקורות, ובכך הפיכתם לגלויים.
      הערה: זה הכי קל להשתמש OPA גל של nm ~ 1200-1300 בשלב זה כדי להפוך תפוז 600-650 nm קרן זה שקל להבחין הכחול 400 nm בדיקה הקורה. לטפל כדי להבטיח כי האזור האינטנסיבי ביותר של הקרן משאבת עובר דרך המרכז של הגביש. צריך להיות מותאם הזווית קריסטל כזה שני פולסים כתום וכחול גלויים בקלות, למרות זווית זו עשויים לא להתאים ללחץ מירבי של צבע נתון.
    2. התאם את קרן משאבת, בדיקה היישורים בעזרת המראה mounts לפני ודיקרואיק זוהר כזה הקורות להפיץ collinearly דרך החדר תוף-MS אאוט מהצד השני.
      הערה: קרן בדיקה יש קוטר קטן יותר, צריך להיות מרוכז במרכז הקורה המשאבה.
  6. קשה החפיפה הזמנית של קורות משאבת, בדיקה
    הערה: השיטה המתוארת כאן מוגבל לרזולוציה אוסצילוסקופ, רק ניתן לקבוע את מיקום אפס-עיכוב כדי בתוך מספר מילימטרים של נסיעות על הבמה עיכוב.
    1. למקם גלאי פוטודיודה מהר כמה סנטימטרים לפני הכניסה חלון לתאי TOF-MS בדרך של הקורות משאבת, בדיקה. חבר את כבל גלאי אוסצילוסקופ דיגיטלי ואתר באופן עצמאי את האותות של פולסים משאבת, בדיקה.
    2. להתאים את מיקום הבמה עיכוב ממונע על הקו בדיקה כזאת משאבת, בדיקה ב אוסצילוסקופ הסימנים חנותם חופף. אם אות אחת הוא עקבי מלפנים (מאחור) והשנייה אוסצילוסקופ, להעביר שנותן מחזיק את הבמה עיכוב ממונע כדי לקצר או להאריך את אורך נתיב כנדרש.
    3. הסר את גלאי פוטודיודה.

3. מדידות ראשוניות

הערה: כל הנתונים בניסויים שלנו נרכשו באמצעות קודי נכתב בתוך הבית עם תוכנת שליטה כלי מסחרי (טבלה של חומרים). כל תוכנת מנהל התקן כלי הושג מהיצרן בהתאמה.

  1. כיול של פיק מוחלטים עוצמת הדופק משאבת28
    1. לחסום את קרן בדיקה ולהוסיף f = 20 ס מ עדשה רכוב על שלב התרגום ליניארי ידני ישירות לפני חלון הכניסה לשם ספקטרומטר מסה.
    2. להתאים את זווית הסיבוב צלחת (בכורה) גל (איור 1) כדי להגדיל את כוחה של קרן משאבת נמדד לפני העדשה.
    3. לצרף מיכל דלק Xe לים קאמרית תוף-MS ולהתאים את השסתום הדליפה שליטה זרימת הגז אל החדר כך מד הלחץ קורא בין 5-10 x 10-8 טנדר של גוה. ודא החשמלי אספקת כוח תוף-MS הנחה בעת כוונון מדגם לחץ כדי למנוע נזק הגלאי MCP עקב הלחץ קוצים.
    4. חבר את כבלי פלט הגלאי MCP ומן הגנרטור עיכוב לייזר אות ל אוסצילוסקופ דיגיטלי. הגדר את אוסצילוסקופ כדי לעורר את האות לייזר.
    5. להפעיל את אספקת החשמל תוף-MS וסמנו את המתחים. ערכים אופייניים של החשמלי עבור V1, V2, V3ו- V4 (איור 2) הם +4,190 V, +3,910 V, 0 V ו-3,000 V, בהתאמה.
    6. הסימון עבור יון אותות של Xe+ (וגם הברית תשלום גבוה יותר) ב אוסצילוסקופ ישירות או באמצעות מחשב מחובר אוסצילוסקופ.
    7. להתאים את מיקום הבמה התרגום הידני מחזיק את העדשה כדי למקסם את האות יון סה. שלב זה מבטיח כי המוקד קרן משאבת חופף 0.5 מ מ לשסף באיור איור 2.
    8. שיא הקשת Xe המונית באמצעות התוכנה רכישת נתונים.
    9. הנמך את עוצמת הלייזר על-ידי סיבוב הזווית WP כדי להשיג של mW כח ~ 20 נמוך יותר כוח נמדד קודם לכן.
    10. חזור על צעדים 3.1.8-3.1.9 עד עוצמת הלייזר הוא נמוך מדי כדי ליצור אות Xe+ מדיד. צריך להיות הקליט סך של 10-15 ספקטרה המונית ב כוחות לייזר שונים.
    11. באמצעות תוכנה לניתוח נתונים המתאימה, בצע את השלבים בהפניה 28 כדי לזהות את האנרגיה הדופק לייזר התואם עוצמת רוויה מוחלטת עבור Xe+ (1.12 x 1014 W ס מ-2)28. הליך זה מספק סולם עוצמה מוחלטת של כל האנרגיה הדופק משאבת בשימוש במחקרים נוספים.
  2. כיול של פיק מוחלטים עוצמת הדופק בדיקה33
    הערה: בשל עוצמת הדופק חלש בדיקה, כיול Xe השיטה המתוארת בשלב 3.1 אינו יכול לשמש. במקום זאת, עוצמת המכשיר בניסויים עשוי להיות מוערך על ידי מדידת גודל ספוט-מוקד העניין עם מסך מצלמה דיגיטלית32, יחד עם משך פעימה ו אנרגיה.
    1. לחסום את קרן משאבת ולכוון את קרן בדיקה לאורך נתיב ישר לאחר המראה ודיקרואיק זוהר בעזרת שתי מראות שטוחות.
    2. הסרת העדשה התמקדות מיקומו הסמוך לתא ולמקם אותו בנתיב קרן בדיקה, המבטיח כי הקרן המכשיר עובר דרך המרכז שלו.
    3. למזער את האנרגיה קרן בדיקה באמצעות מסנן ND משתנה, להוסיף מסננים נוספים ND כדי להחליש את האנרגיה הדופק מתחת ~ 100 ניו ג ' רזי.
    4. במקום מצלמת CMOS קומפקטי על שלב התרגום ליניארי ידנית וחבר אותו למחשב באמצעות תוכנת רכישת נתונים מתאימים. הר השלב תרגום בנתיב קרן בדיקה עם המצלמה ממורכז ליד נקודת מוקד של הקורה. אתר המקום קרן באמצעות התוכנה. להוסיף מסננים ND והתאם את הגדרות רכישת המצלמה כדי למנוע הרוויה של גלאי CMOS.
    5. להתאים את מיקום הבמה התרגום כדי להשיג את המקום הקטן ביותר, אינטנסיבי ביותר לייזר. מיקום זה מקביל המוקד של הקרן.
    6. להשיג תמונת המצלמה-המוקד ובכושר המקום פונקציה גאוסיאנית מימדי באמצעות תוכנת ניתוח הנתונים המתאימים כדי לקבוע את קוטר הקרן.
    7. להסיר את המראות בבימוי קרן בדיקה עם המצלמה, להחזיר את העדשה התמקדות למיקומו מול תוף-MS.
  3. קביעה של משאבת-בדיקה יכולות חופפות תוף-MS
    הערה: השלמתו של הפרוטוקול בשלב 3.1 ההנחה. בעוד Xe גז יכול לשמש את הדגימה כדי לקבוע חפיפה יכולות, מומלץ להשתמש מולקולת המטרה במחקר כי שינויים בספקטרום המוני יכול להיות שנצפו על טווח של חיובי זמן-עיכובים במקום רק על השהיית זמן אפס , כמו עם Xe.
    1. התחבר המדגם הרצוי לתאי TOF-MS, להתאים את הלחץ על הטווח של 1-5 x 10-7 טנדר של גוה.
    2. החסימה של הקורות משאבת, בדיקה, ודא שהם מיושרים אל החדר תוף-MS.
    3. להגדיל את כוחה בדיקה על-ידי התאמת המסנן ND. להגדיר את הכוח משאבה עם לוחית גל לרמה מספיק גבוהה כדי לקבל אות יון משביע רצון.
      הערה: הכוח בדיקה צריך להיות מספיק גבוה לזירוז פיצול, אבל לא כל כך גבוה ליצור יונים בהיעדרו של הדופק המשאבה.
    4. להתאים את מיקום מרחבי של הקורה בדיקה עם השפם בהר מראה ודיקרואיק זוהר (DC, איור 1) עד או יתד בעוצמתם של יונים כל נצפית (אם מיקום הבמה היא בדיוק אפס עיכוב) או של דלדול משמעותי של האב מולקולרית יון ו/או עלייה פרגמנט יון התשואות הם נצפו (אם מיקום הבמה מקביל השהיה חיובית).
    5. אם אין שינויים בין אותות יון שנצפו, מיקום הבמה סביר-זמן-עיכוב שליליים, כלומר., בדיקה לפני המשאבה. התאם את הבמה עיכוב ממונע על נתיב ארוך עבור קרן בדיקה וחזור על שלב 3.3.4 עד לשינוי בספקטרום המוני נצפית.
    6. להתאים את מיקום הבמה עיכוב ממונע לייצר יתד יון סה כ אות. עמדה זו מקבילה השהיית זמן אפס. נציג המוני ספקטרום של מולקולת DMMP שצולמו אפס-השהיה עם חפיפה מרחבי טוב ועניים, יחד עם הקשת המונית לקחת רק את הקרן משאבה, מוצגים באיור3.
  4. קרוס-המתאם6,34
    הערה: המדידה קרוס-מתאם חייב להתבצע על גז אינרטי כגון Xe32. הוא משמש כדי לוודא בשני המשכים הדופק נמדד עם צפרדע ואת המיקום שלב עיכוב המתאים השהיית זמן אפס.
    1. עם זלס הגז בבית הבליעה (שלב 3.1), החפיפה קרן מיטוב (שלב 3.3), העבר את המיקום הבמה ממונע כדי לאתר את השהיית זמן אפס (כלומר., כאשר האות Xe+ מוגדל).
    2. סרוק את הבמה תרגום ממונע מעל טווח עיכוב-200 fs כדי +200 fs צעדים של 5 fs. סריקה זו לשלבי של מיקרומטר 1.5 על טווח של 120 מיקרומטר ממורכז במיקום זמן השהיה אפס. להקליט ספקטרום המוני במיקום כל סריקה ולשלב התשואות Xe+ לרכוש את האות תלויי-זמן יון34.

4. משאבת-בדיקה מדידות

  1. בדיקות ראשוניות לפני לקיחת מידות
    1. בדוק את הגדרת הניסוי כדי לאשר כי שתי הקורות הן הפצת collinearly מבעד לחלון החדר (איור 1).
    2. לצרף את הדגימה הרצוי לתאי TOF-MS, שחרר בהדרגה את הדגימה אל החדר באמצעות הדליפה משתנה valve(s) כדי להשיג מטרה בלחץ של 1-5 x 10-7 טנדר של גוה. ודא כי החשמלי אספקת כוח תוף-MS כבויים בעת התאמת הלחץ הדגימה כדי למנוע נזק הגלאי MCP בלחץ קוצים.
    3. אם לחץ אדים של המולקולה הוא נמוך מדי כדי לייצר את הלחץ הרצוי, מחממים בעדינות את בעל מדגם עד הלחץ הרצוי מושגת.
    4. הפעל ולאחר בדיקת מתח תוף-MS (שלב 3.1.5). ודא את הישימות של התוכנה רכישת נתונים ביחס התקשורת עם עיכוב ממונע הבמה והן אוסצילוסקופ.
    5. התאם את העדשה מול קאמרית (שלב 3.1.7) משאבת-בדיקה המרחבי יישור (שלב 3.3.4) כדי למטב את יון אות ואת החפיפה המרחבי.
  2. חדרי קירור והקפאה
    1. התאם את האנרגיות הדופק משאבת, בדיקה כדי לקבל אותות יון הרצוי.
    2. בתוכנה רכישת נתונים, ציין את הגודל של אורך ועל שלב הסריקה.
      הערה: אורכי סריקה טיפוסית מגוון ניסויים מ 1000-5000 fs, שלב גדלים נע בין 5-20 fs19,20.
    3. להפעיל את התוכנה רכישת נתונים לרכוש הספקטרום המונית על כל עיכוב של משאבת-בדיקה.
      הערה: בדרך כלל, הקשת המוני להקליט כל הזמן-עיכוב סריקה הוא בממוצע 1000 יריות לייזר. כדי לקבל יחס אות לרעש גבוה מספיק, 10-20 סריקות נלקחים על ההגדרות הרצויות (כלומר., סריקה אורך, צעד גודל, משאבת, בדיקה כוחות), בממוצע. כדי למזער את ההשפעות של לייזר כוח להיסחף, סריקות עשוי להילקח מתחלפים הכיוונים של עיכוב-שלב הנסיעה. כל הנתונים נשמרים כקבצי טקסט מופרד באמצעות טאבים. נציג נתונים ספקטראליים המוני raw סריקה אחת נלקחה DMMP עבור אורך הסריקה של 1250 fs צעד בגודל של 5 fs מוצגים באיור4.
  3. עיבוד נתונים
    1. זיהוי טווח זמן הטיסה עבור כל שיא מסת עניין (מאויר על ידי האזורים סוגריים באיור4) ולשלב על פני טווחים אלה בספקטרום כל המונים. התוצרים מייצגים את סימני זמן לפתור כל יון עניין. לדוגמה, אותות זמן לפתור יון יון מולקולרית האב DMMP עם משאבה-בדיקה טוב ועניים חפיפה המרחבי המתקבל סריקה משאבת-רגש אחד מוצגים באיור5.
    2. חזור על שלב 4.3.1 להשיג מספר סריקות הרצוי (למשל., 10-20)19,20 באותן הגדרות הסריקה. ממוצע כל אות זמן לפתור יון מעל כל הסריקות נלקח. נציג יון בממוצע אותות מוצגים באיור 6.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

תוצאות

התוצאות המתקבלות עבור מולקולת DMMP21 מוצגים. איור 3 מראה DMMP ספקטרום המונית לקחת באפס זמן השהיה עם עוצמות שיא המשאבה 1500 ננומטר וקטניות 800 nm בדיקה להיות 8 x 1013 ו- 8 x 10 W12 ס מ-2, בהתאמה. לעיון, מוצג גם הקשת המונית לקחת רק את הדופק המשאבה. ?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

פרוטוקול זה מאפשר לנו לפתור מרביים הרטט דינאמיקה של קטיונים הרדיקלי polyatomic דרך הכנה סלקטיבי של היונים במדינה אלקטרונית של הקרקע. בעוד ההליך יינון חזק-שדה רגיל באמצעות 800 nm ניתן להכין coherences הרטט של מצב הקרקע-אלקטרונית קטיונים הרדיקלית של השורה הראשונה diatomics10,11

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgements

עבודה זו נתמכה על ידי המשרד מחקר צבא ארה ב דרך חוזה W911NF-18-1-0051.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Mass spectrometer components
TOF lens stack and flight tube assemblyJordan TOF Products, Inc.C-677
18 mm Z-gap detector assemblyJordan TOF Products, Inc.C-701Z
TOF high voltage power supplyJordan TOF Products, Inc.D-603
Vacuum system components
Rotary vane backing pumpEdwards Vacuum LLCRV12
Turbomolecular pumps (2)Edwards Vacuum LLCEXT255H
Turbomolecular pump controllers (2)Edwards Vacuum LLCEXC300
Pressure gaugeEdwards Vacuum LLCAIGX-S-DN40CF
Chiller for water coolingNeslabCFT-25
Femtosecond laser system
Ti:Sapphire regenerative amplifierCoherent, Inc.Astrellaoscillator and amplifier in a single integrated system
Optical Parametric Amplifer (OPA)Light ConversionTOPAS Prime
Motion control
Motorized linear translation stage 1" travelThorlabsZ825B
controller for linear translation stageThorlabsKDC 101
USB controller hub and power supplyThorlabsKCH 601
Manual linear translation stage 1" travelThorlabsPT1
Detectors
Pyroelectric laser energy meterCoherent, Inc.1168337
Thermal laser power meterCoherent, Inc.5356E16R
Si-biased detector 200-1100 nmThorlabsDET10A
Compact USB CMOS CameraThorlabsDCC1545M
USB spectrometerOcean OpticsHR4000
1 GHz digital oscilloscope LeCroyWaveRunner 610Zi
Optics
Type 1 BBO crystalCrylight PhotonicsBBO007aperture and thickness may be customized
Achromatic half wave plate, 1100-2000 nmThorlabsAHWP05M-1600
Wollaston prism polarizerThorlabsWPM10
Hollow retro-reflectorPLX, Inc.OW-20-1C
Variable neutral density filterThorlabsNDC-100C-2
Longpass dichroic mirror 2" diameterThorlabsDMLP950L
Software
Digital Camera image softwareThorlabsThorCam
Instrument communication interfaceNational InstrumentsNI-MAX
Graphical development environment for measurement programsNational InstrumentsLabVIEW
Data processing softwareMathworksMATLAB

References

  1. Letokhov, V. S. Photophysics and Photochemistry. Physics Today. 30 (5), 23-32 (1977).
  2. Bloembergen, N., Yablonovitch, E. Infrared laser induced unimolecular reactions. Physics Today. 31 (5), 23-30 (1978).
  3. Zewail, A. H. Laser selective chemistry-is it possible? Physics Today. 33 (11), 25-33 (1980).
  4. Brif, C., Chakrabarti, R. L., Rabitz, H. Control of quantum phenomena: past, present and future. New Journal of Physics. 12, 075008(2010).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Warren, W. S., Rabitz, H., Dahleh, M. Coherent Control of Quantum Dynamics: The Dream Is Alive. Science. 259 (5101), 1581-1589 (2003).
  9. 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).
  10. 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. Following dynamic nuclear wave packets in N, O and CO with few-cycle infrared pulses. Physical Review A. 84 (4), 043410(2011).
  11. 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. Isolated vibrational wavepackets in D: Defining superposition condition and wavepacket distinguishability. Physical Review A. 76 (5), 053402(2007).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Erattupuzha, S., Larimian, S., Baltuska, A., Xie, X., Kitzler, M. Two-pulse control over double ionization pathways in CO. The Journal of Chemical Physics. 144 (2), 024306(2016).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Ampadu Boateng, D., Gutsev, G. L., Jena, P., Tibbetts, K. M. Dissociation dynamics of 3- and 4-nitrotoluene radical cations: Coherently driven C-NO bond homolysis. The Journal of Chemical Physics. 148 (13), 134305(2018).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. Wiley, W. C., McLaren, I. H. Time-of-Flight Mass Spectrometer with Improved Resolution. Review of Scientific Instruments. 26, 1150-1156 (1955).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. Trebino, R. Frequency Resolved Optical Gating. , Kluwer Academy Publishers. Boston. (2000).
  33. Ruff, J. A., Siegman, A. E. Single-pulse laser beam quality measurements using a CCD camera system. Optics Letters. 31 (24), 4907-4909 (1992).
  34. 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).
  35. 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).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

138Femtochemistry

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved