Direct Imaging von lasergetriebenen Ultrakurz Molecular Rotation

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.