레이저 기반 초고속 분자 회전의 직접 이미징
Summary
We present a protocol for creating a real-time movie of a molecular rotational wave packet using a high-resolution Coulomb explosion imaging setup.
Abstract
우리는 레이저 유도 분자 초고속 회전 파동 패킷 역학을 가시화하는 방법을 제시한다. 우리는 지금까지-비실용적 카메라 앵글을 실현하는 새로운 2 차원 쿨롱 폭발 촬상 설정을 개발 하였다. 우리의 영상 기법에서, 이원자 분자는 원 편광 강한 레이저 펄스로 조사된다. 토출 원자 이온 레이저 전파 수직 가속된다. 레이저 편광면 거짓말 이온이 기계적 슬릿을 사용하여 선택하고, 높은 처리량과 묘화되는 2 차원 검출기는 편광면에 평행하게 설치된. 원형 편광 (등방성) 쿨롱 폭발 펄스가 사용되기 때문에, 토출 된 이온의 관찰 각도 분포를 직접 펄스 조사시의 제곱 회전 파동 함수에 상당한다. 분자량 회전 실시간 동영상을 생성하기 위해, 본 영상 법은 펨토초 펌프 프로브 O와 결합ptical 설정이있는 펌프 펄스는 단방향 분자 앙상블을 회전 만듭니다. 인하여 우리의 검출 시스템의 높은 화상 처리량 펌프 프로브 실험 조건은 쉽게 실시간 스냅 샷을 모니터링함으로써 최적화 될 수있다. 그 결과, 관찰 영화의 품질은 움직임의 구체적인 파장 특성을 시각화 충분히 높다. 또한, 본 기술은 광범위한 수정 없이도 분자 시스템의 새로운 카메라 앵글이나 관점을 제공하는 기존의 표준 이온 촬상 설정으로 구현 될 수 있다는 점에 유의하라.
Introduction
깊은 이해와 분자의 동적 특성의 더 나은 사용을 위해, 분명 관심의 분자 운동을 시각화하는 것이 필수적이다. 시분 쿨롱 폭발 촬상이 대물 1, 2, 3을 달성하기 위해 강력한 방법 중 하나이다. 이 방식에서, 관심있는 분자 역학 펌프 초단파 레이저 필드가 시작한 후 시간 지연된 펄스 프로브로 프로빙한다. 프로브의 조사에 의해 분자가 이온화 승산되며 쿨롱 반발력으로 인해 단편 이온으로 분해. 배출 된 이온의 공간 분포는 프로브 조사의 분자 구조 및 공간 방향의 척도이다. 펌프 프로브 지연 시간을 측정하는 스캐닝 시퀀스는 영화 분자의 생성을 이끈다. 그것은 주목할만한, 즉 가장 간단한 경우에 – 이원자 분자 – 배출 된 이온의 각도 분포직접 분 자축 분포 (즉, 제곱 회전 파동 함수)를 반영한다.
펌프 공정에 대해서는, 초단 레이저 필드를 사용하여 분자 운동의 간섭 제어의 최근 진보는 고도로 제어 된 회전 웨이브 패킷 (4)의 작성, (5)에 인도하고있다. 또한, 회전 방향으로 적극적으로 분극 제어 된 레이저 필드 6, 7, 8을 이용하여 제어 될 수있다. 이는 따라서 쿨롱 폭발 영상 법은 이러한 펌프 공정 9, 10, 11, 12, 13과 결합 될 때 파 본성 포함한 분자 회전의 상세한 그림이 가시화 될 수있는 것으로 기대되고있다. 그러나 일부시간은 아래에 언급 된 바와 같이, 기존의 촬상 방법과 관련된 실험 문제가 발생. 본 연구의 목적은 이러한 어려움을 극복 분자 회전 웨이브 패킷의 고품질 영화를 만드는 새로운 방법을 제공하는 것이다. 물리적 인 의미와 함께, 본 발명의 방법으로 촬영 분자 1 회전 실험 영화는 이전 용지 (11)에 제시 하였다. 개발의 배경 본 영상 법의 구체적인 이론 측면에서, 그리고 다른 기존의 기술과의 비교는 다가오는 논문에서 설명한다. 여기서는 주로 일반적인 펌프 프로브 광 설치 조합하고 새로운 촬상 장치를 구비 한 프로 시저의 실용적이고 기술적 인 측면에 초점을 맞출 것이다. 이전 논문에서와 같이, 타겟 시스템은 단방향 질소 분자 (11)를 회전한다.
의 주요 어려움 실험개략적으로도 1에 도시 된 촬상 설정 기존 검출기의 위치, 또는 카메라 앵글과 관련이있다. 회전축 레이저 필드 유도 분자의 회전에 관계되는 레이저 전파 축 (6), (7, 8)와 일치하기 때문에, 회전축을 따라 검출기를 설치 실용적이지 않다. 레이저 조사를 피하기 위해, 검출기가 설치 될 때, 상기 카메라 각도 회전 측 관찰에 대응한다. 이 경우에는, 투사 (2D) 이미지 이온 분자 (14)로부터의 원래 방향을 복원하는 것은 불가능하다. 의 3D 이미지 검출기 (14), 15, 16, 17, 18, 19, 상단 검출기 이온 IMPAC되는 도달 시간t의 위치를 측정 할 수 쿨롱 폭발 영상 (10), (12)를 사용하여 직접 분자 회전을 관찰하는 독특한 방법을 제공했다. 그러나, 레이저 샷 당 허용되는 이온 개수는 고화질 (14)의 분자 운동이 긴 동영상을 생성하기 어렵다는 것을 의미 차원 검출기의 하한 (전형적으로 <10 이온)이다. 검출기 (전형적 NS)의 데드 타임은 이미지 해상도 이미징 효율에 영향을 미친다. 또한 <~ 1 kHz의 레이저 반복률로 실시간 이온 이미지를 모니터함으로써 양호한 펌프 프로브 빔 중첩을 간단한 작업이 아니다. 여러 그룹들이 3 차원 기술을 사용하여 회전 웨이브 패킷을 관찰 하였지만, 상기 공간 정보에 한정 및 / 또는 직접 복잡한 노드 구조를 포함하는 파장 특성의 상세한 시각화, 12 (10)를 달성 아니었다.
의 본질새로운 이미징 기술은도 1에서 "새로운 카메라 앵글"의 사용이다. 2 차원 검출기는 회전축 방향으로부터 관찰 선도, 회전 평면에 평행하면서이 구성에서, 검출기에 레이저 빔 노출을 회피한다. 슬릿은 이미지에 기여할 회전 평면에서만 이온 (레이저 펄스의 편광면)을 허용한다. 차원 검출기보다 카운트 속도 (일반적으로 100 ~ 이온)를 제공하는 2 차원 검출기가 사용될 수있다. 측정 효율이 높은 반면, 전자의 설정은, 3D 검출의 경우에 비해 간단하다. 시간이 많이 소요되는 등 아벨 반전 (14) 수학 재건은, 또한 각도 정보를 추출하는 데 필요하지 않습니다. 이러한 기능은 측정 시스템의 쉽게 최적화 고품질 영화의 생산 리드. 표준 2D / 3D 하전 입자 촬상 장치를 용이하게 본 witho 설치하도록 변형 될 수있다고가의 장비를 사용하는 유타.
Protocol
Representative Results
Discussion
본 절차는 슬릿 기반의 2 차원 영상으로 설정 분자 회전 실시간 동영상을 캡처 우릴 수있다. 관찰 된 이온은 슬릿을 통과하기 때문에, 단계 1.5 중요한 단계 중 하나입니다. 슬릿 블레이드의 가장자리가 선명해야합니다. 작은 결함이있는 경우, 이러한 슬릿 0.3 mm의 함몰 등의 스크래치 이온 이미지 (도 6)이 관찰된다. 이러한 경우에, 슬릿 블레이드는 000 그릿 습식 사포로 연마되어야한다…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported in part by grants-in-aid KAKENHI from the Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) and the Ministry of Education, Culture, Sports, Science, and Technology (MEXT) Japan (#26104539, #26620020, #26810011, #15H03766, #15KT0060, #16H00826, and #16K13927); the Konica Minolta Science and Technology Foundation; the “Planting Seeds for Research” program of TokyoTech; the Imaging Science Project of the Center for Novel Science Initiatives (CNSI) at the National Institutes of Natural Sciences (NINS) (#IS261006); the RIKEN-IMS joint program on “Extreme Photonics;” and the Consortium for Photon Science and Technology (CPhoST).
Materials
| 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 | |
References
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