Name: an experimental protocol for femtosecond nir/uv - xuv pump-probe experiments with free-electron lasers
Uploaded: 2018-10-23T12:30:00
Duration: 9 min 49 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about An Experimental Protocol for Femtosecond NIR/UV - XUV Pump-Probe Experiments with Free-Electron Lasers at JoVE.com

Авторы благодарят Савельев Евгений, Cédric Bomme, Нора Schirmel, Harald Редлин, Стефан Düsterer, Эрланд Мюллер, Хауке Höppner, Свен Толейкиса, Jost Мюллер, Мари Кристин Czwalinna, Рольф Тройш, Томас Kierspel, Теренс Mullins, Себастьян триппеля, Joss Wiese, Йохен Küpper, Феликса Brauβe, Фарук Krecinic, Арно Rouzée, Петр Rudawski, за Юнссон, Амини Kasra, Alexandra Lauer, Майкл Берт, Марк Brouard, лаге Кристенсен, Ян Thøgersen, Хенрик Stapelfeldt, Нора Беррах, Мария Мюллер, Анатолий Ulmer, Симоне Techert , Артем Руденко, Daniela Рапп и Мелани Schnell, который участвовал в Flash-beamtime, во время которого были приобретены конкретных данных показано и обсуждали здесь и которые способствовали анализу и интерпретации. Работе научных и технических групп на FLASH, которые сделали возможным эксперимент, это также с благодарностью. Д.р. признает поддержку от химических наук, геологии и Biosciences отдел, отделение фундаментальных наук энергии, управление науки, Министерство энергетики США, Грант № ДЕ FG02-86ER13491. Эксперименты на FLASH были также поддержаны объединением Гельмгольца через программу следователь молодой Гельмгольца. Мы признаем Общество Макса Планка для финансирования развития и ввод в эксплуатацию лагеря конечной станции в течение Макс Planck расширенный исследовательской группы в CFEL и предоставление оборудования для CAMP@FLASH. Установка CAMP@FLASH частично финансировалась BMBF грантов 05K10KT2, 05K13KT2, 05K16KT3 и 05K10KTB от FSP-302

<ol>
	<li>Feldhaus, J., Arthur, J., Hastings, J. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=X-ray+free-electron+lasers.">X-ray free-electron lasers.</a> J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 38, S799-S819 (2005).</li><li>Pellegrini, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+history+of+X-ray+free+electron+lasers.">The history of X-ray free electron lasers.</a> Eur. Phys. J. H. 37, 659-708 (2012).</li><li>Bostedt, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experiments+at+FLASH.">Experiments at FLASH.</a> Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A. 601, 108-122 (2009).</li><li>Fang, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Probing+ultrafast+electronic+and+molecular+dynamics+with+free-electron+lasers.">Probing ultrafast electronic and molecular dynamics with free-electron lasers.</a> J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 47, 124006 (2014).</li><li>Rudenko, A., Rolles, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Time-resolved+studies+with+FELs.">Time-resolved studies with FELs.</a> J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 204, 228-236 (2015).</li><li>Bostedt, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Linac+Coherent+Light+Source:+The+first+five+years.">Linac Coherent Light Source: The first five years.</a> Rev. Mod. Phys. 88, 015007 (2016).</li><li>Wernet, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Orbital-specific+mapping+of+the+ligand+exchange+dynamics+of+Fe(CO)5+in+solution.">Orbital-specific mapping of the ligand exchange dynamics of Fe(CO)5 in solution.</a> Nature. 520, 78-81 (2015).</li><li>McFarland, B. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrafast+X-ray+Auger+probing+of+photoexcited+molecular+dynamics.">Ultrafast X-ray Auger probing of photoexcited molecular dynamics.</a> Nat. Commun. 5, 4235 (2014).</li><li>Erk, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging+charge+transfer+in+iodomethane+upon+X-ray+photoabsorption.">Imaging charge transfer in iodomethane upon X-ray photoabsorption.</a> Science. 345, 288-291 (2014).</li><li>Boll, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Charge+transfer+in+dissociating+iodomethane+and+fluoromethane+molecules+ionized+by+intense+femtosecond+X-ray+pulses.">Charge transfer in dissociating iodomethane and fluoromethane molecules ionized by intense femtosecond X-ray pulses.</a> Struc. Dyn. 3, 043207 (2016).</li><li>Amini, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photodissociation+of+aligned+CH3I+and+C6H3F2I+molecules+probed+with+time-resolved+coulomb+explosion+imaging+by+site-selective+XUV+ionization.">Photodissociation of aligned CH3I and C6H3F2I molecules probed with time-resolved coulomb explosion imaging by site-selective XUV ionization.</a> Struct. Dyn. 5, 014301 (2018).</li><li>Savelyev, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Jitter-correction+for+IR/UV-XUV+pump-probe+experiments+at+the+FLASH+Free-Electron+Laser.">Jitter-correction for IR/UV-XUV pump-probe experiments at the FLASH Free-Electron Laser.</a> New J. Phys. 19, 043009 (2017).</li><li>Dell'Angela, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-Time+Observation+of+Surface+Bond+Breaking+with+an+X-ray+laser.">Real-Time Observation of Surface Bond Breaking with an X-ray laser.</a> Science. 339, 1302-1305 (2013).</li><li>&#214;str&#246;m, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Probing+the+transition+state+region+in+catalytic+CO+oxidation+on+Ru.">Probing the transition state region in catalytic CO oxidation on Ru.</a> Science. 347, 978-982 (2015).</li><li>Ackermann, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Operation+of+a+free-electron+laser+from+the+extreme+ultraviolet+to+the+water+window.">Operation of a free-electron laser from the extreme ultraviolet to the water window.</a> Nat. Photonics. 1, 336-342 (2007).</li><li>Feldhaus, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=FLASH-the+first+soft+X-ray+free+electron+laser+(FEL)+user+facility.">FLASH-the first soft X-ray free electron laser (FEL) user facility.</a> J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 43, 194002 (2010).</li><li>Emma, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=First+lasing+and+operation+of+an+Angstrom-wavelength+free-electron+laser.">First lasing and operation of an Angstrom-wavelength free-electron laser.</a> Nat. Photonics. 4, 641-647 (2010).</li><li>Krikunova, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Time-resolved+ion+spectrometry+on+xenon+with+the+jitter-compensated+soft+X-ray+pulses+of+a+free-electron+laser.">Time-resolved ion spectrometry on xenon with the jitter-compensated soft X-ray pulses of a free-electron laser.</a> New J. Phys. 11, 123019 (2009).</li><li>Johnsson, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+a+two-color+pump-probe+setup+at+FLASH+using+a+velocity+map+imaging+spectrometer.">Characterization of a two-color pump-probe setup at FLASH using a velocity map imaging spectrometer.</a> Opt. Lett. 35, 4163-4165 (2010).</li><li>Glownia, J. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Time-resolved+pump-probe+experiments+at+the+LCLS.">Time-resolved pump-probe experiments at the LCLS.</a> Opt. Express. 18, 17620-17630 (2010).</li><li>Schulz, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Femtosecond+all-optical+synchronization+of+an+X-ray+free-electron+laser.">Femtosecond all-optical synchronization of an X-ray free-electron laser.</a> Nat. Commun. 6, 5938 (2015).</li><li>Str&#252;der, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Large-format,+high-speed,+X-ray+pnCCDs+combined+with+electron+and+ion+imaging+spectrometers+in+a+multipurpose+chamber+for+experiments+at+4th+generation+light+sources.">Large-format, high-speed, X-ray pnCCDs combined with electron and ion imaging spectrometers in a multipurpose chamber for experiments at 4th generation light sources.</a> Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A. 614, 483-496 (2010).</li><li>L&#246;hl, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electron+Bunch+Timing+with+Femtosecond+Precision+in+a+Superconducting+Free-Electron+Laser.">Electron Bunch Timing with Femtosecond Precision in a Superconducting Free-Electron Laser.</a> Phys. Rev. Lett. 104, 144801 (2010).</li><li>Czwalinna, M. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Dissertation (PhD Thesis). , (2012).</li><li>Schorb, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=X-ray-optical+cross+correlator+for+gas-phase+experiments+at+the+LCLS+free-electron+laser.">X-ray-optical cross correlator for gas-phase experiments at the LCLS free-electron laser.</a> Appl. Phys. Lett. 100, 121107 (2012).</li><li>Beye, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=X-ray+pulse+preserving+single-shot+optical+cross-correlation+method+for+improved+experimental+temporal+resolution.">X-ray pulse preserving single-shot optical cross-correlation method for improved experimental temporal resolution.</a> Appl. Phys. Lett. 100, 121108 (2012).</li><li>Bionta, M. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spectral+encoding+method+for+measuring+the+relative+arrival+time+between+x+ray/optical+pulses.">Spectral encoding method for measuring the relative arrival time between x ray/optical pulses.</a> Rev. Sci. Instrum. 85, 083116 (2014).</li><li>Redlin, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+FLASH+pump-probe+laser+system:+Setup,+characterization+and+optical+beamlines.">The FLASH pump-probe laser system: Setup, characterization and optical beamlines.</a> Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A. 635, S88-S93 (2011).</li><li>Rolles, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Femtosecond+x-ray+photoelectron+diffraction+on+gas-phase+dibromobenzene+molecules.">Femtosecond x-ray photoelectron diffraction on gas-phase dibromobenzene molecules.</a> J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 47, 124035 (2014).</li><li>Maltezopoulos, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-shot+timing+measurement+of+extreme-ultraviolet+free-electron+laser+pulses.">Single-shot timing measurement of extreme-ultraviolet free-electron laser pulses.</a> New J. Phys. 10, 033026 (2008).</li><li>Meyer, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Two-color+photoionization+in+XUV+free-electron+and+visible+laser+fields.">Two-color photoionization in XUV free-electron and visible laser fields.</a> Phys. Rev. A. 74, 011401 (2006).</li><li>Radcliffe, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+experiment+for+two-color+photoionization+using+high+intensity+extreme-UV+free+electron+and+near-IR+laser+pulses.">An experiment for two-color photoionization using high intensity extreme-UV free electron and near-IR laser pulses.</a> Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 583, 516-525 (2007).</li><li>Gagnon, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Soft+X-ray-driven+femtosecond+molecular+dynamics.">Soft X-ray-driven femtosecond molecular dynamics.</a> Science. 317, 1374-1378 (2007).</li><li>Wernet, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-time+evolution+of+the+valence+electronic+structure+in+a+dissociating+molecule.">Real-time evolution of the valence electronic structure in a dissociating molecule.</a> Phys. Rev. Lett. 103, 013001 (2009).</li><li>Calegari, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrafast+electron+dynamics+in+phenylalanine+initiated+by+attosecond+pulses.">Ultrafast electron dynamics in phenylalanine initiated by attosecond pulses.</a> Science. 346, 336-339 (2014).</li></ol>

Авторы заявляют не конкурирующие интересы.

Из-за сложности экспериментальных установок, насос зонд эксперименты с лазеры на свободных электронах требует высокого уровня знаний и опыта и необходимость очень тщательного, подготовка и подробные обсуждения с научной команды, действуют свободных электронах, оптического лазера и конце станции, как до, так и во время эксперимента. При выполнении фактического эксперимент, точное определение пространственных и временных накладок и закрыть мониторинг всех диагностики и времени системы, как описано в настоящем Протоколе, имеют важное значение.
Обратите внимание, что большинство методов, описанных здесь применимы только для конкретных фотонной энергии диапазона FEL так, как они полагаются на эффекты, которые сильно зависят от энергии фотона. Например, определение «грубой» временные перекрытия, с использованием рассеянный свет, направленный на фотодиод был найден хорошо работать для фотон энергии до ~ 250 eV. На более высокие энергии фотона сигнал, генерируемых импульсов FEL становится настолько малы, что это трудно обнаружить. В этом случае открытого кабель SMA, которые могут быть привлечены очень близко (менее миллиметра) или даже в FEL луч был найден производить более надежный сигнал для выполнения процедуры, описанной в шаге 3.1) протокола. Аналогично, лучшие цели для определения сроков «хорошо», описанной в шаге 3.2), сильно зависит от энергии фотона. Для FEL импульсов в XUV и мягкого рентгеновского региона выше 65.7 eV и ~ 57 eV энергии фотона (соответствует 4d ионизации порогов в Ксенон и CH3, соответственно), ксенона и CH3я были признаны подходящие цели для процедуры описано в шаге 3.2. Метод, с помощью CH3я был найден работать для фотон энергии до 2 кэВ (выше которого он имеет еще не были протестированы), то время как метод с помощью Xe был протестирован до 250 eV. Для фотон энергии ниже 50 eV Бонд, смягчение процесса в H2 может быть используемые19. На фотона энергии выше 400 eV аналогичный процесс в N2 также является подходящим20. Альтернативные подходы включают изменения в отражательной способности в твердых образцов25,26,30 или формирование боковой полосы в фотоэлектронная спектра31,32.
Для достижения лучших временное разрешение, это необходимо для сортировки экспериментальных данных выстрелом на выстрел в на основе анализа данных, чтобы компенсировать дрожание время прибытия между FEL и оптических лазерных импульсов, как описано в шаге 5. Однако качество данных, насос зонд и, в частности, достижимых временное разрешение, сильно зависит от производительности FEL во время эксперимента и длительности импульса оптических лазерных импульсов и Оскверненного импульсов, которые могут быть предоставлены в это время. Для подражания данных, показанные здесь длительность импульса УФ импульсов составляла 150 fs (FWHM) и длительность импульса FEL оценивается в 120 fs (FWHM). Хотя общая прибытия время дрожание приблизительно 90 ФС (rms) перед джиттер коррекция может быть сокращен до приблизительно 27 fs (rms) с помощью процедуры описано здесь12, связанное с этим улучшение общего временного разрешения эксперимент был невелик из-за длительности относительно длинный импульс FEL и оптического лазера. Оба могут, однако, быть значительно сокращены, в этом случае влияние схемы коррекции дрожания будет более значительным. Например новый оптического излучения в настоящее время устанавливается на FLASH, который будет иметь длительность импульса (в ближней ИК-области) ниже 15 fs, в то время как новой операции Скверны, которую режимы также проходят проверку, который может производить FEL импульсы с длительностью импульса по несколько фемтосекунд или даже ниже. Эти изменения позволят вскоре насос зонд эксперименты, сочетая Скверны и оптических лазерных импульсов с общее временное разрешение только несколько десятков фемтосекунд.
В то время как увеличение числа импульсов короткий и интенсивный XUV и рентгеновского, производства FELs породил ряд NIR/УФ - XUV насос зонд эксперименты как один описаны здесь, подобные эксперименты насос зонд также могут быть выполнены с высоким гармонических поколения (HHG) источники33,34,35. Основное ограничение экспериментов на основе FEL обычно является достижимой временное разрешение, который принципиально ограничена путем синхронизации между FEL и оптического лазера или точность с которым относительное время между насосом и зондирующих импульсов может быть измерена. Это не дело для эксперимента на основе HHG насос зонд, где XUV и NIR импульсов неразрывно синхронизированы с точностью югу цикла и которые могут таким образом, в целом, имеют намного выше временным разрешением. Основным преимуществом на основе FEL экспериментов, с другой стороны, является несколько порядков выше Фотон Флюенс, который позволяет экспериментов, например., разбавить целей, которые являются не удастся с текущей HHG источников, особенно на выше Фотон энергии в режима мягкого рентгеновского. В обозримом будущем насос зонд эксперименты с FELs и HHG поэтому останется взаимодополняющих, с некоторые совпадения в регионе XUV, где оба могут использоваться для проведения подобных расследований. Некоторые из шагов для выполнения этих экспериментов также схожи, и некоторые из методов, описанных здесь поэтому может также применяться для экспериментов на основе HHG насос зонд.

Наличие крайней ультрафиолетовой короткий и интенсивный (XUV) и рентгеновского импульсов от свободных электронах лазеры (FELs)1,2 открыло новые возможности для фемтосекундных насос зонд эксперименты, используя сайт - и элемент специфика внутренней оболочки фото поглощение процесс3,4,5,6. Такие эксперименты могут использоваться, например, для расследования молекулярной динамики и заряда передачи процессов в жидкости7 и газовой фазы молекул8,9,10,11 , 12, и для реального времени наблюдения каталитических реакций и сверхскоростной поверхности химия13,14 с временным разрешением 100 фемтосекунд или ниже. Если насос зонд эксперимент осуществляется путем объединения синхронизированные оптических фемтосекундный лазер с ГСМ, который был во всех примерах упомянутых выше, внутренние джиттера время прибытия между оптических лазерных и Оскверненного импульсов должен измеряться на основе выстрела к выстрелу и исправлениями для анализа данных для достижения наилучшего временного разрешения.
В большой совместной работы несколько экспериментов насос зонд, сочетая оптическими лазерами с свободных электронах были недавно выполненных9,10,11,12, как на FLASH XUV FEL15 ,16 и17 ССК рентгеновского Скверны и экспериментальный протокол для выполнения и анализа этих экспериментов был разработан, которая представлена в следующем. Метод показал для подражания эксперимента выступали на флеш бесплатно-электронах с целью изучения сверхскоростной фотохимии в газовой фазе молекул с помощью скорости карта Ион изображений11,12. Однако большинство стратегий, также применимы к подобные эксперименты насос зонд, с помощью других целей или других экспериментальных методов и также может быть адаптирована к другим объектам Скверны. Хотя некоторые отдельные шаги, представленные здесь, или вариации их уже обсуждались в литературе18,19,20, этот протокол обеспечивает всестороннее описание ключевых шагов, том числе воспользоваться преимуществами последних технических усовершенствований в синхронизации и время диагностики, которые значительно улучшили стабильности и временное разрешение для насоса зонд эксперименты12, 21.
Следующий протокол предполагает конец насоса зонд станции, такие лагеря инструмент флэш-22, оснащены Ион время прохождения, Ион импульса изображений или скорости карты изображений ионный спектрометр (ДМС); Эффузивные или сверхзвуковой струи газа; и синхронизированные возле ИК-области спектра (NIR) или ультрафиолетового (УФ) фемтосекундный лазер, чьи импульсов может быть дублирует collinearly или вблизи collinearly свободных электронах лазерный луч, как схематично набросал на рисунке 1. Кроме того, соответствующий комплект диагностики инструментов, таких как экран просмотра съемной балки (например. манипулятора с покрытием Ce:YAG порошок или кристалле тонкого Ce:YAG) в регионе взаимодействия, быстро фотодиод, чувствительных к Скверны и лазерных импульсов и куча время прибытия монитор (BAM)23,24 или «времени инструмент»25,,2627 являются обязательными, все из которых обычно интегрирована в конец насоса зонд станции или предоставляются Фондом Скверны, если Просьба до эксперимента. Наконец коррекция выстрела к выстрелу джиттера предполагается, что экспериментальных данных записанных и доступ на основе выстрела к выстрелу и связанных выстрела к выстрелу измерения джиттера время прибытия время кучу с помощью уникальной «кучу ID» или другой эквивалентные схемы.
В FLASH конкретных систем, которые имеют решающее значение для насоса зонд экспериментов являются:
<ul><li>Активный, все оптической обратной связи и систему стабилизации лазерного насоса зонд для мастер лазерного осциллятор, который включает сбалансированное Оптический кросс коррелятор, которая стабилизирует насоса зонд лазерного осциллятор вывода мастер лазерного осциллятор, и кросс коррелятор («дрейф коррелятора») исправить для медленно дрейфует лазер усилителя отношении осциллятор21.</li>
	<li>Куча время прибытия мониторов (BAMs), которые измеряют вариации выстрел до снимка времени прибытия пучок электронов на различных позициях в ускорителе отношении мастер лазерного осциллятор23,24. Они могут быть использованы для активной обратной петли для стабилизации сроки электрона пучки отношении мастер лазерного осциллятор, тем самым уменьшая медленно дрейфует в время прибытия. Кроме того, BAM расположен закрыт для эксперимента (BAM 4DBC3) может использоваться для коррекции дрожания выстрела к выстрелу в анализе данных, который подробно на шаге 5.1 экспериментальный протокол.</li>
	<li>Насос зонд лазерный полоска камеры, какие меры относительно сроков между насоса зонд лазерная выход и дипольного излучения, генерируемого пучок электронов в конце ускоритель, прежде чем он направляется в дамп луч28.</li>
	<li>Фокус камеры, которая «виртуальных» лазерный фокус с помощью частью лазерного луча, которая протекает через последний поворотным зеркалом за фокусировку изображения объектив для паразитический следить за медленно пространственных сугробы оптического лазера.</li>
</ul>Подобные системы доступны на других объектах ГСМ и имеют решающее значение для выполнения надежный насос зонд эксперимент.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Xenon</td>
			<td>Linde</td>
			<td></td>
			<td>minican</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CH3I (methyl iodide)</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>67692</td>
			<td>or other suitable sample</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FEL pump-probe endstation</td>
			<td>CAMP@FLASH or LAMP@LCLS</td>
			<td></td>
			<td>or a similar endstation at another FEL facility</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>fast XUV photodiode</td>
			<td>Opto Diode Corp.</td>
			<td>AXUVHS11</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>bias T</td>
			<td>Tektronix</td>
			<td>PSPL5575A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>fast ( &#8805;10 GHz) oscilloscope</td>
			<td>Tektronix</td>
			<td>TDS6124C</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

an experimental protocol for femtosecond nir/uv - xuv pump-probe experiments with free-electron lasers

Этот протокол описывает ключевые этапы выполнения и анализа Фемтосекундный насос зонд эксперименты, которые сочетают Фемтосекундный оптический лазерный с свободных электронах. Это включает методы для создания пространственных и временных перекрываются между оптическим и свободных электронах лазерных импульсов во время эксперимента, а также важные аспекты анализа данных, таких как исправления для прибытия время джиттера, которые необходимы для Получите наборы данных высокого качества насоса зонд с наилучшим возможным временным разрешением. Для подражания эксперимент выполняется на свободных электронах лазерный FLASH (Free электрон лазерной Гамбург) с целью изучения сверхскоростной фотохимии в газовой фазе молекул с помощью скорости карта Ион изображений демонстрируются эти методы. Однако большинство стратегий применимы также к подобные эксперименты насос зонд, с помощью других целей или другие экспериментальные методы.

Если Скверны и оптических лазерных импульсов пространственно перекрытием в регионе взаимодействия ионный спектрометр, временные перекрытия, т.е., можно найти значение задержки T0, при котором Скверны и лазерных импульсов прибывают точно в то же время, Варьируя задержку между Скверны и NIR импульсов и анализируя соотношение Xe2 + Xe3 + ионный выход как функция задержки, как описано выше в разделе 3.2.1. Когда пульс NIR приходит после импульса Скверны (который должен иметь энергии фотона 67.5 eV или выше), Xe,3 + ионный доходность увеличивается за счет после ионизации возбужденных, метастабильного Xe2 + ионов, которые созданы во время распада шнека процесс после Xe (4d) внутренняя оболочка ионизации18, как показано на рисунке 2. Ион заговоре отношение Xe2 + Xe3 + выход как функция задержки таким образом дает шаг функцию, которая может устанавливаться для извлечения точное значение T0.
Подобная функция шаг могут быть получены путем изменения задержки между Скверны и лазерные импульсы и анализируя Ион время полета следы или изображения импульса Ион йода высоко заряженных ионов, например я3 + или я4 +, созданный в ионизации CH3 я, как описано выше в шаге 3.2.2). В этом случае вклад низкой энергии будет отображаться как дополнительный пик в центре высоко заряженных йода пики в спектре времени рейса или как яркое пятно в центре соответствующего импульса изображений, как показано на рисунке 3. Низкоэнергетические ионы создаются при CH3я молекулы сначала отделить от лазерного импульса и Ион фрагмент затем пост ионизированный FEL пульс9,10. Этот метод может использоваться если НДК или УФ импульсов используются для эксперимента, насос зонд, пока Энергия фотона FEL выше 57 eV, который является йод 4d внутренняя оболочка ионизации порог в CH3я.
Для того чтобы правильно для джиттера в относительной прибытия время FEL импульсов в отношении лазерных импульсов, выстрела к выстрелу данные, записанные в кучу времени прибытия монитор (БАМ), показанный на рисунке 4, может использоваться для сортировки данных записанных насос зонда в пост-анализ, как описано выше в разделе 5. Это обычно улучшает временное разрешение и общее качество данных насоса зонд значительно, как показано на рисунке 4 и более подробно, Савельев et al. 201712.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57055/57055fig1.jpg"> Рисунок 1: экспериментальная установка. Схема экспериментальной установки для УФ насос XUV-зонд эксперимент на молекул в газовой фазе. UV (266 Нм) лазерный луч производится в качестве третьей гармонических луча 800-nm титана: Сапфир (сапфировый) с использованием кристаллов бета Борат бария (BBO) и сжатого с помощью призмы компрессора. Это collinearly дублирует XUV FEL луч с помощью просверленные зеркала и сосредоточены внутри газового сверхзвуковое луч в центре двухсторонний скорости карты изображений спектрометр22,29. Динамика распределения ионов и электронов записываются на противоположных концах спектрометра с помощью МКП/люминофора экрана собраний следуют ПЗС-камеры. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57055/57055fig1large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57055/57055fig2.jpg"> Рисунок 2: задержка зависимость урожайности Ион Xe. XE Ион время полета спектра (отделенный MCP сигнал записан быстро дигитайзер) 83 eV энергии фотона и с НДК лазерных импульсов прибывающих 1 мкс до (сверху, черный след) и после (внизу, красный след) импульсы Скверны. Изменения в Xe2 + Xe3 + соотношение хорошо видна. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57055/57055fig2large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57055/57055fig3.jpg"> Рисунок 3: задержка зависимость урожайности Ион йода и импульса. (A) зум в на4 + пика в спектре время полета Ион CH3я записал в 727 eV энергии фотона и с УФ лазерных импульсов, прибывающие до (красная линия) и после (черная линия) импульсы Скверны. Синие и зеленые линии, соответственно, показывают время полета спектра для Скверны и УФ лазерного импульса одиночку. Эта цифра была изменена Boll et al. 201610. (B) Ион импульс образ я3 + ионов от CH3я записал в 107 eV энергии фотона и с УФ лазерные импульсы, прибывающие до FEL импульсов. (C) так же как (B), но с УФ импульсов, прибывающие после FEL импульсов. На цветовой шкале (B) и (C) показывает выход ионов в произвольных единицах. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57055/57055fig3large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57055/57055fig4.jpg"> Рисунок 4: относительная прибытия время джиттера FEL импульсов в отношении оптических лазерных импульсов. (A) выстрелом на выстрел кучу времени прибытия монитор (BAM) данных для всех снимков Скверны, записанный во время проверки образцовым задержке. Значение ссылки BAM0 был установлен на среднее значение BAM для этого сканирования. (B) Ион доходность низкая кинетической энергии я3 + ионов в УФ-XUV насос зонд эксперимента на difluoroiodobenzene до коррекции дрожания выстрела к выстрелу прибытия. Красная линия показывает что наименьших квадратов подходят функцию распределения (функция ошибки Гаусса) для экспериментальных данных. Fit параметр σ — это мера общее временное разрешение насоса зонд эксперимента. (C) так же, как и (B) , но с изображениями single shot прибегали в новые ячейки задержки, с использованием данных BAM. Планки погрешностей представляют одно стандартное отклонение. Адаптировано из Савельев et al. 201712рис. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57055/57055fig4large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</a>

Watch this Scientific Journal Video about An Experimental Protocol for Femtosecond NIR/UV - XUV Pump-Probe Experiments with Free-Electron Lasers at JoVE.com

An Experimental Protocol for Femtosecond NIR/UV - XUV Pump-Probe Experiments with Free-Electron Lasers

Этот протокол описывает ключевые шаги для выполнения и анализа экспериментов насос зонд, сочетая Фемтосекундный оптический лазерный с свободных электронах для того, чтобы изучать сверхбыстрые фотохимических реакций в газовой фазе молекул.

Экспериментальный протокол для фемтосекундных NIR/УФ - XUV насос зонд эксперименты с лазеры на свободных электронах

This protocol describes key steps in performing and analyzing femtosecond pump-probe experiments that combine a femtosecond optical laser with a ...

Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы в физике и химии, такие как, какие связи сломаны в первую очередь или как атомы и электроны перестраиваются во время химической реакции. Основным преимуществом этого метода является то, что экстремальное ультрафиолетовое излучение от Лазера Свободного Электрона или FEL может выступать в качестве зонда, специфичного для конкретного участка, потому что оно ионизирует только конкретные атомы внутри молекулы. Научиться достигать пространственного и временного перекрытия между FEL и оптических лазерных лучей выгоды от визуальной демонстрации, потому что очень конкретные диагностики используются и эффекты могут быть тонкими.Демонстрацией этой процедуры будет Демитриос Ромпотис, физик из FLASH Free-Electron Laser в DESY. Во-первых, убедитесь, что ионный детектор, детектор электронов и высоковольтная мощность ионных спектрометрных электродов выключены. Закройте FEL и оптические лазерные ставни с помощью программного обеспечения инструмента.Настройте фильтры и атенуаторы, установленные в линии луча, чтобы импульсная энергия FEL и оптическая лазерная мощность были уменьшены до менее чем 1% передачи. Затем вставьте экран просмотра луча Cerium YAG в область взаимодействия. Откройте затвор FEL и осмотрите экран с помощью камеры CCD.Если пятно луча не обнаруживается на экране, немного увеличьте интенсивность луча. После того, как пятно луча было расположено, отметь положение пучка FEL как область, интересуюющейся программным обеспечением для получения данных камеры. Затем откройте оптический лазерный затвор и закройте затвор FEL.Отрегулируйте рулевые зеркала, чтобы выровнять оптический лазерный луч с отмеченным положением пучка FEL. Повторите этот процесс блокировки луча для уточнения пространственного перекрытия и проверки того, что перекрытие является стабильным. Как только лучи выровнены, удалите экран просмотра луча.Включите детекторы и мощность электрода спектрометра. Убедитесь, что быстрый фотодиод, подключенный к быстрому осциллоскопу, устанавливается перпендикулярно лучу FEL вместе с подвижной сеткой, чтобы отвлечь небольшое количество рассеянных фотонов на диод. Уменьшите энергию импульса FEL и мощность оптического лазера до 1%передачи.Затем закройте FEL и оптические лазерные ставни. Вставьте рассеяние сетки в луч. Отрегулируйте положение сетки, энергию импульса FEL и оптическую лазерную энергию так, чтобы каждый отдельный луч высвещит четкий сигнал и оба сигнала имеют одинаковую высоту.Затем закройте оптический лазерный затвор. Настройте быстрый осциллоскоп, чтобы использовать лучшие базы времени доступны и собрать около 100 средних для следа. Завехать и сохранить эталонный след луча FEL в одиночку.Затем закройте затвор FEL и откройте оптический лазерный затвор. Сравните след от оптического лазера с эталоном FEL. Затем сдвинуть время прибытия оптического лазерного импульса так, чтобы начало оптического лазерного сигнала точно совпадает с началом сигнала FEL.Повторите сравнение блокирования луча и начала сигнала, чтобы подтвердить, что FEL и оптические лазерные импульсы точно выровнены. Обратите внимание на время перекрытия FEL и оптических лазерных импульсов в качестве первоначальной оценки T0. Чтобы начать тонкую настройку T0, занизить FEL и оптический лазер в достаточной степени, чтобы избежать повреждения ионных и электронных детекторов, когда ксеноновый газ вводится в систему. Убедитесь, что спектрометр находится во время полета.Затем ввимите ксенон газ в камеру либо через газовую струю, либо путем введения ксенонового газа в эвакуированную камеру через игольчатый клапан. Если используется последний метод, достичь давления камеры от одного раза 10 до отрицательного семь и один раз 10 до отрицательных шести миллибаров. Запись ксенона ионный время полета спектра.Затем закройте затвор FEL и отрегулируйте энергию импульса FEL так, чтобы ксенон два плюс и ксенон три плюс были одними из самых сильных ксеноновых заряженных состояний во время полета спектра и более высокие ксеноновые заряженные состояния подавлялись как можно больше. Затем закройте затвор FEL и откройте оптический лазерный затвор. Отрегулируйте оптическую лазерную мощность так, чтобы лазерные импульсы производят в основном ксенон плюс только с небольшим количеством ксенонов два плюс.Откройте затвор FEL по момент завершения регулировки. Основываясь на ранее определенном грубом значении T0, установите время FEL и оптического лазерного импульса, чтобы оптические лазерные импульсы прибыли примерно за 200 пикосекунд до импульсов FEL. Приобрети ксеноновое ионные сроки полета спектра и определите соотношение ксенона два плюс к ксенону три плюс из пиковых областей.Затем настройте лазеры таким образом, что оптические лазерные импульсы прибывают около 200 пикосекунд после импульсов FEL. Приобрети другое время полета спектра и определите соотношение ксенон два плюс к ксенон три плюс. Убедитесь, что ксенон три плюс сигнал значительно сильнее в этом спектре, чем в предыдущем спектре.Иногда разница между лазером на ранних стадиях и лазером в конце ксенонового сигнала очень мала из-за недостаточного пространственного перекрытия. В таком случае следует повторить процедуру пространственного перекрытия, чтобы добиться большой разницы в этих двух сигналах. Установите лазерное время на полпути между предыдущими двумя значениями и приобрести другое время полета спектра.Сравните соотношение ксенонов два плюс ксенон три плюс, чтобы определить, являются ли оптические лазерные импульсы прибывают до или после импульсов FEL. Если оптические лазерные импульсы прибывают до импульсов FEL, установите время на полпути между текущим значением и значением, при котором оптические лазерные импульсы прибыли через 200 пикосекунд после импульсов FEL. Приобрети другое время полета спектра и изучить соотношение ксенон два плюс ксенон три плюс.Продолжайте корректировать время лазерного импульса до тех пор, пока T0 не будет приближен с точностью более 500 фемтосекунд. Затем найте сканирование задержки по области плюс-минус одна пикосекунда вокруг приблизительного положения T0 в шагах не более 50 фемтосекунд. Приобрети время полета спектра и определите соотношение ксенонов два плюс к ксенону три плюс для каждого шага.Участок этих соотношений по отношению к времени задержки, получить функцию шага и вычислить центр функции шага, чтобы получить точное временное положение T0. Ксенон ионный время полетной спектроскопии может быть использовано для определения того, 800 нанометровый почти ИК импульс прибыл в ксенон газовой цели до или после импульса FEL с фотонной энергии, по крайней мере 67,5 электронных вольт. Постионизация возбужденных метастабийки ксенона два плюс произошло, когда около-ИК импульс прибыл после ТОГО импульс увеличения ксенона три плюс выход. Планирование соотношения ксенонов два плюс ксенон три плюс в качестве функции задержки времени при условии, шаг функции, из которых T0 может быть определена.Изображения ионной импульса йода также использовались для определения T0 с фотонной энергией не менее 57 электронов вольт. Низкий энергетический вклад был виден как всплеск только тогда, когда УФ-импульс прибыл до импульса FEL. T0 был извлечен из участка шипа ионные выходы в качестве функции задержки времени.Данные, записанные монитором времени прибытия Банч, использовались для коррекции испуга во время относительного прибытия импульсов FEL в отношении оптических лазерных импульсов. Это дало заметное улучшение качества данных, особенно в временном разрешении. После освоения, создание временного и пространственного перекрытия между оптическими лазерными импульсами и FEL может быть сделано примерно за два-три часа, в то время как измерение насосного зонда, которое следует обычно занимает несколько дней.Хотя эта процедура была разработана для атомов и молекул в газовой фазе, она также может быть применена к другим образцам, таким как наночастицы или жидкости и твердые вещества. Не забывайте, что работа с высокоскоростных фемтосекундных лазеров может быть чрезвычайно опасной. Определенная подготовка по вопросам безопасности является обязательной.А при работе с высокоскоростных лазерами всегда носите защитные лазерные защитные очки.

Research

JoVE Journal

Chemistry

Conducting Miller-Urey Experiments

Проведение Миллер-Юри эксперименты

In 1953, Stanley Miller reported the production of biomolecules from simple gaseous starting materials, using an apparatus constructed to simulate the ...

Metal-silicate Partitioning at High Pressure and Temperature: Experimental Methods and a Protocol to Suppress Highly Siderophile Element Inclusions

Металл-силикат разделов при высоких давлении и температуре: Экспериментальные методы и протокола для подавления Высоко сидерофильных элементные включений

Estimates of the primitive upper mantle (PUM) composition reveal a depletion in many of the siderophile (iron-loving) elements, thought to result from ...

Protocol for the Synthesis of Ortho-trifluoromethoxylated Aniline Derivatives

Protocol for the Synthesis of Ortho-trifluoromethoxylated Aniline Derivatives

Протокол синтеза<em&gt; Орто</em&gt; -trifluoromethoxylated анилина

Molecules bearing trifluoromethoxy (OCF3) group often show desired pharmacological and biological properties. However, facile synthesis of ...

A Protocol for the Production of Gliadin-cyanoacrylate Nanoparticles for Hydrophilic Coating

Протокол для производства Глиадин-цианоакрилатных наночастицами для гидрофильного покрытия

This article presents a protocol for the production of protein-based nanoparticles that changes the hydrophobic surface to hydrophilic by a simple spray ...

Original Experimental Approach for Assessing Transport Fuel Stability

Оригинальный экспериментальный подход для оценки стабильности топлива для транспорта

The study of fuel oxidation stability is an important issue for the development of future fuels. Diesel and kerosene fuel systems have undergone several ...

A Protocol for Safe Lithiation Reactions Using Organolithium Reagents

Протокол для безопасного литиирующего реакций с использованием Литийорганические Реагенты

Organolithium reagents are powerful tools in the synthetic chemist&#39;s toolbox. However, the extreme pyrophoric nature of the most reactive reagents ...

An Optimized Protocol for the Efficient Radiolabeling of Gold Nanoparticles by Using a 125I-labeled Azide Prosthetic Group

An Optimized Protocol for the Efficient Radiolabeling of Gold Nanoparticles by Using a 125I-labeled Azide Prosthetic Group

Оптимизированного протокола для эффективного радиоактивной наночастиц золота с помощью<sup&gt; 125</sup&gt; I-меченый Azide простетической группы

Here, we demonstrate a detailed protocol for the radiosynthesis of a 125I-labeled azide prosthetic group and its application to the efficient ...

Measurements of Long-range Electronic Correlations During Femtosecond Diffraction Experiments Performed on Nanocrystals of Buckminsterfullerene

Измерения на большие расстояния электронной корреляции во время Фемтосекундный дифракции эксперименты, проведенные на нанокристаллов Бакминстерфуллерен

The precise details of the interaction of intense X-ray pulses with matter are a topic of intense interest to researchers attempting to interpret the ...

Microfluidic Chips for In Situ Crystal X-ray Diffraction and In Situ Dynamic Light Scattering for Serial Crystallography

Microfluidic Chips for In Situ Crystal X-ray Diffraction and In Situ Dynamic Light Scattering for Serial Crystallography

Microfluidic чипы для In Situ кристалл рентгеновской дифракции и на месте Динамическое рассеяние света для последовательного кристаллографии

This protocol describes fabricating microfluidic devices with low X-ray background optimized for goniometer based fixed target serial crystallography. The ...

The MPLEx Protocol for Multi-omic Analyses of Soil Samples

MPLEx протокол для мульти omic анализ образцов почвы

Mass spectrometry (MS)-based integrated metaproteomic, metabolomic, and lipidomic (multi-omic) studies are transforming our ability to understand and ...