Messung der ultraschnellen Schwingungs Zusammenhänge in polyatomaren radikale kationen mit Strong-Feld adiabatische Ionisation

Seit der Erfindung des Lasers in den 60er Jahren war das Ziel der chemischen Bindungen in Molekülen selektiv zu brechen ein langjähriger Traum von Chemikern und Physikern. Die Fähigkeit, stimmen beide laser-Frequenz und Intensität wurde geglaubt, um direkte Spaltung einer Ziel-Anleihe durch selektive Energie-Absorption auf die zugehörigen Schwingungsfrequenz^{1,2,3,4 aktivieren} . Jedoch festgestellt frühe Experimente, dass nicht-selektiven Spaltung der schwächsten Bond^4,5Intramolekulare Schwingungs Umverteilung der absorbierten Energie in das Molekül oft führte. Es war nicht bis die Entwicklung von Femtosekunden Laser gepulste und die Pumpe-Sonde Technik⁶ in den späten 1980er Jahren die direkte Manipulation von kohärenten Schwingungs Staaten oder “Wellenpakete” erfolgreiche Kontrolle über Bindung Spaltung und andere aktiviert Ziele^6,7,8. Pumpe-Sonde Messungen, wobei die “Pump”-Puls bereitet einen angeregten Zustand oder Ionen, die anschließend durch eine zeitversetzte “Sonde” Puls angeregt wird, bleiben eine der am häufigsten verwendeten Techniken zur Untersuchung ultraschneller Prozesse in Molekülen^{9, 10,11,12,13,14,15,16,17,18, 19,20}.

Eine erhebliche Einschränkung für das Studium der ultraschnellen Dissoziation entsteht Dynamik von polyatomaren radikal-kationen mit Pumpe-Sonde Erregung gekoppelt mit massenspektrometrischer Detektion von obstructions Fragmentierung des Zielmoleküls durch die ionisierende Pumpe Puls bei Exklusivrepräsentation Wellenlänge von 800 nm^21,22,23. Diese übermäßige Fragmentierung resultiert aus nichtadiabatischen multiphoton Ionisation und durch die Verlagerung der Erregung Wellenlänge in der Nah-Infrarot-abgeschwächt werden können (zB., 1200-1500 nm)^{22,23,24, 25}. Bei diesen längeren Wellenlängen, der Beitrag der adiabatischen Elektron tunneling erhöht im Vergleich zu multiphoton Erregung in die Ionisation Prozess^22,23. Adiabatische Tunnelbau vermittelt wenig überschüssige Energie auf das Molekül und Formen überwiegend “kalt” Grundzustand Molekulare Ionen^19,22,23. Unsere bisherige Arbeit hat gezeigt, dass die Verwendung von Nah-Infrarot-Erregung deutlich die Vorbereitung der kohärenten Schwingungs Erregungen oder “Wellenpakete” in polyatomaren radikale kationen verglichen mit 800 nm Anregung^{19verbessert, 20}. Diese Arbeit veranschaulichen den Unterschied zwischen starken Feld-Ionisation dominiert multiphoton und tunneling Beiträge mit Pumpe-Sonde Messungen auf die chemische Kriegsführung Agent Simulanzlösemittel Dimethyl Methylphosphonate (DMMP) mit 1500 nm und 800 nm Pumpe Wellenlängen.

In unseren Experimenten Pumpe-Sonde ist ein paar von ultrakurzen Laserpulsen zeitverzögert, rekombinierte und konzentriert in einem Time-of-Flight-Massenspektrometer, wie in unserer Einrichtung in Abbildung 1dargestellt. Diese Experimente erfordern eine Exklusivrepräsentation regenerative Verstärker produziert > 2 mJ, 800 nm, 30 fs Hülsenfrüchte. Der verstärkerausgang ist aufgeteilt auf einen Strahlteiler 90: 10 (R: %T %), wo die meiste Energie wird verwendet, um einen optischen parametrischen Verstärker (OPA) Pumpen zur Erzeugung von 1200-1600 nm, 100-300 µJ, 20-30 fs Hülsenfrüchte. Der Durchmesser der IR-Strahl Pumpe wird auf 22 mm und einem Durchmesser von 800 nm Sonde Strahl nach unten bis zu 5,5 mm und entkernt mit einer Iris kollimierten erweitert. Diese Collimations führen die Pumpe Strahl Fokussierung auf eine deutlich kleinere Balken Taille (9 µm) als der Sonde Strahl (30 µm), dadurch sicherzustellen, dass alle Ionen gebildet während der ionisierenden Pump-Puls von der zeitlich verzögerten prob-Puls begeistert sind. Diese Konfiguration wird verwendet, weil das Ziel unserer Experimente ist es, die Dynamik von der übergeordneten molekularen Ion, Sonde, die auch bei geringeren Intensitäten am Rand der fokussierten Strahl gebildet werden kann. Wir stellen fest, dass wenn die Dynamik der mehr-angeregten Ionischen Spezies von Interesse sind, dann der Sonde Durchmesser kleiner als die der Pumpe erfolgen soll.

Die Pumpe und Sonde Impulse so propagieren und orientieren uns in der Extraktion-Region von einem Wiley-McLaren Time-of-Flight-Massenspektrometer (TOF-MS)²⁶ (Abbildung 2). Molekulare Muster gelegt in ein Fläschchen mit dem Einlass befestigt und geöffnet, um das Vakuum. Dieses Setup erfordert, dass das Molekül in Untersuchung einen ungleich NULL Dampfdruck haben; für Moleküle mit niedrigem Dampfdruck kann das Fläschchen geheizt werden. Die Strömung von gasförmigen Proben in der Kammer wird durch zwei Variablen Leck Ventile gesteuert. Die Probe betritt die Kammer durch ein 1/16″ Edelstahl-Rohr ca. 1 cm Abstand der Laserfokus (Abbildung 2) um eine lokal hohe Konzentration des Zielmoleküls liefern in der Extraktion Region²⁷. Die Extraktion-Platte hat einen 0,5 mm Schlitz orientierte orthogonal zur Laser Ausbreitung und Ionen-Pfade. Weil der Rayleigh-Bereich des Balkens Pumpe ca. 2 mm ist, dient dieser Schlitz als Filter, so dass nur Ionen erzeugt aus dem zentralen fokalen Volumen wo die Intensität der Extraktion Platte²⁸passieren höchsten ist. Die Ionen geben Sie eine 1 m Feldfreien Drift Röhre um die Z-Lücke micro Channel Plate (MCP) Detektor²⁹, zu erreichen, wo sie entdeckt und mit einem 1 GHz digital Oszilloskop bei 1kHz-Wiederholrate der typischen kommerziellen Exklusivrepräsentation Laser erfasst.