Fully automated dual-frequency three-pulse-echo 2DIR spectrometer accessing spectral range from 800 to 4000 wavenumbers

Abstract

A novel dual-frequency two-dimensional infrared instrument is designed and built that permits three-pulse heterodyned echo measurements of any cross-peak within a spectral range from 800 to 4000 cm(-1) to be performed in a fully automated fashion. The superior sensitivity of the instrument is achieved by a combination of spectral interferometry, phase cycling, and closed-loop phase stabilization accurate to ~70 as. The anharmonicity of smaller than 10(-4) cm(-1) was recorded for strong carbonyl stretching modes using 800 laser shot accumulations. The novel design of the phase stabilization scheme permits tuning polarizations of the mid-infrared (m-IR) pulses, thus supporting measurements of the angles between vibrational transition dipoles. The automatic frequency tuning is achieved by implementing beam direction stabilization schemes for each m-IR beam, providing better than 50 μrad beam stability, and novel scheme for setting the phase-matching geometry for the m-IR beams at the sample. The errors in the cross-peak amplitudes associated with imperfect phase matching conditions and alignment are found to be at the level of 20%. The instrument can be used by non-specialists in ultrafast spectroscopy.

From Ultrafast Structure Determination to Steering Reactions: Mixed IR/Non‐IR Multidimensional Vibrational Spectroscopies

“…137–139 New approaches for detection and data acquisition are being devised to continuously improve data quality and access different observables 25. 87, 140–144…”

Analytical chemistry, multidimensional spectral signatures, and the future of coherent multidimensional spectroscopy

“…[40][41][42] Figure 6 shows an example dual frequency spectrum of methylglycolate that covers the entire fingerprint region of the infrared. 43 It was formed by combining a series of narrow region spectra. The dynamic range in this spectrum is >10 5 and is normalized by the magnification to the brightest feature in each cluster of peaks.…”

Von ultraschnellen Strukturbestimmungen bis zum Steuern von Reaktionen: mehrdimensionale gemischte IR/nicht‐IR‐Schwingungsspektroskopie

“…[33,[137][138][139] Neue Verfahren für die Detektion und Datenerfassung werden entwickelt um die Datenqualität zu verbessern und um Zugang zu neuen Observablen zu erhalten. [25,87,[140][141][142][143][144] 2D-IR-Spektren zeigen viele Details der molekularen Welt, dementsprechend müssen die theoretischen Methoden, die die Interpretation der Spektren stützen, sehr leistungsfähig sein. Dies gilt umso mehr für die hier diskutierten 2D-Spektroskopien, die auch elektronisch angeregte Zustände und starke Abweichungen vom Gleichgewicht beinhalten.…”

“…Verbesserungender Hardware haben schon jetzt durch erhçhte Stabilitätu nd Automatisierung dieA nwendung vereinfacht. [25,144,145] Fürd ie reinenI R-Pulssequenzen gibt es bereits Messaufbauten, diev on Nichtspezialisten gehandhabt werden kçnnen.E rste kommerziell erhältliche 2D-IR-Spektrometer, welches ogar dieI mplementierung von gemischtenPulssequenzenerlauben, finden ihren Wegauf den Markt. [145,146] Wirs indd aher zuversichtlich, dassd ie Anzahl derW issenschaftler, died ie Mçglichkeitend er hierv orgestellten mehrdimensionalen Experimente nutzenk çnnen (direkto derü berd ie Zusammenarbeit mit einers pezialisierten Arbeitsgruppe), in naherZukunfterheblichwachsenwird.…”