مقالة منهجية

خيوط ليزر Femtosecond لاستخدامها في تصوير شبه Diffraction محدودة زمنياً، والاستشعار عن بعد

DOI:

10.3791/58207

⸱

أبريل 25, 2019

 ,  ,  ,  , 
1Texas A&M University, 2Baylor University

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Femtosecond عالية الكثافة نبضات ضوء الليزر يمكن الخضوع لدورات كير ذاتية التركيز والبلازما بديعة، نشر شعاع الفرعية بعد قطر ميليميتير مكثفة عبر مسافات طويلة. يصف لنا تقنية لتوليد واستخدام خيوط هذه إلى أداء التصوير عن بعد والاستشعار خارج حدود حيود الكلاسيكية من بصريات خطية.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

التحقيق في المسألة بعد مع ضوء الليزر أسلوب في كل مكان يستخدم في ظروف متنوعة كانهيار المستحثة بالليزر التحليل الطيفي والباركود الماسحات الضوئية. في البصريات الكلاسيكية، محدودة الكثافة التي يمكن بلوغها على هدف بعيد بحجم بقعة من الليزر على مسافة من الهدف. وقد هذا حجم بقعة الحد الأدنى يحدده حيود الحد الأقصى للبصريات الكلاسيكية. ومع ذلك، تولد نبضات الليزر femtosecond تضخيم كثافة كافية لتعديل الانكسار للهواء المحيط، والخضوع لذاتية التركيز. هذا الأثر ذاتية التركيز يؤدي إلى توليد خيوط الليزر المكثفة جداً التي تحافظ على كثافة وحجم قطرها ملليمتر الفرعية الصغيرة على مسافات أبعد من طول رايليغ الكلاسيكية. هذه الكثافة يوفر القدرة على المسح الضوئي، والتصوير، والاستشعار عن بعد، والتحليل الطيفي مع تعزيز القرار المكانية. يصف لنا تقنية لتوليد خيوط مع femtosecond التجدد نبض زقزق مكبر للصوت، واستخدام خيوط الناتجة لإجراء قياسات التصوير والطيفية على مسافات بعيدة على الأقل عدة أمتار.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تماسك المكانية وزاوية اختلاف الصغيرة المقابلة الليزر الحزم وأدت إلى العديد من تطبيقات الاستشعار عن بعد، بما في ذلك قياسات كيميائيا الحساسة من الغلاف الجوي1،2،3من مجموعة الحقائق، وبعد التحليل الطيفي4. نفس خصائص الاتساق يسمح جداً التركيز ضيقة من ضوء الليزر الذي يمكن أن يحقق استمرار تركز كثافات المليارات من وات لكل سنتيمتر مربع وساحة كثافات نابض من 1013 وات لكل سنتيمتر على مدى فترة من بضعة femtoseconds. هذه الشدة القصوى مفيدة للعديد من التطبيقات بما في ذلك دراسة الخصائص البصرية غير الخطية للمسألة5، الدقة البصرية ميكروماتشينينج6، وتوصيف المواد عن طريق انهيار الليزر التي يسببها 7من التحليل الطيفي، وحفز رامان الطيفي8،،من910، و الكشف عن المواد الكيميائية تتبع11.

ومع ذلك، القيود المادية غاوسي الحزم تعيين حدود القدرة على تطبيق هذه الخصائص من الشدة القصوى وزاوية اختلاف صغير في نفس الوقت. شعاع ليزر يركز إلى حجم بقعة صغيرة سوف تختلف بالضرورة مع زاوية أكبر. كلاسيكي، زاوية الاختلاف شعاع تقدمها، حيث λ الطول الموجي و w0 هو نصف قطر الخصر شعاع. حيث يتم تعيين زاوية الاختلاف بقطر شعاع الليزر، و البعد البؤري و عدسة التركيز،، وتركيز ضيق غير ممكن على مسافات كثيرة متر و تصبح كبيرة بالمقارنة مع د.

أصغر من الحد حيود الظهور على أهداف على بعد مسافة كبيرة من علامات حرق العمال في ميدان femtosecond تضخيم نبضات لاحظت أن هذا القيد على كثافة مقابل نطاق قد انتهك لنبضات femtosecond عالية الكثافة، مع الليزر الأصلي12. تم العثور على هذا بسبب تأثير كير ذاتية التركيز. يتم تعديل الانكسار من الهواء تتناسب مع كثافة الحقل الليزر، وعندما الليزر لديه ملف كثافة ضبابي، الشخصية كثافة الانكسارية الناتجة عن ذلك يصبح وظيفيا عدسة5. ويركز الشعاع الذاتي كما أنه ينتشر، أسفر عن خيوط الضيقة ومكثفة من دائرة نصف قطرها أقل من 100 ميكرون التي حجمها صغير يتم الاحتفاظ بتوازن ديناميكي بين الحيود الكلاسيكية وكير ذاتية التركيز، وبديعة بسبب البلازما جيل13.

مع خيوط ليزر femtosecond، يمكن تسليمها إلى الأهداف على مسافات متر العديد من كثافة تتراوح بين 1013 ث/سم2 مع مكبرات الصوت نبض زقزق femtosecond متاحة تجارياً. وهكذا، يمكن الآن القيام بالعديد من التجارب التي كان مطلوباً من قبل شروط التركيز ضيقة وأهداف قريبة جداً من عدسة الفتحة العددية عالية مسافة أكثر نموذجية لتطبيقات الاستشعار عن بعد. ومع ذلك، كثافة أعلى بكثير من هذه العتبة ليست ممكنة بسهولة مع فيلامينتيشن، الشعاع يميل إلى كسر تصل إلى خيوط متعددة حيث كل خيوط فردية بالقرب من الطاقة الحرجة لذاتية التركيز13.

هناك إمكانية للعديد من التطبيقات. نقدم بروتوكول تنطبق أساسا على التصوير والتحليل الطيفي للأهداف البعيدة باستخدام خيوط ليزر femtosecond الممسوحة ضوئياً على سطح الهدف. ويرد في الشكل 1الإعداد التجريبية.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1-إيجاد خيوط ليزر Femtosecond

  1. كما تتطلب خيوط femtosecond الإخراج لليزر فئة 4، حماية العين المناسبة ارتداء تصنيفها لخاصة النظام باستخدام الليزر وإنشاء خط شعاع واضحة ومحددة تحديداً جيدا مع مستودع للحزم مناسبة. متابعة جميع إجراءات السلامة الليزر القياسية.
  2. تبدأ مع إخراج ليزر femtosecond نابض، وتضخيم قوة الإخراج الفوري الذي أكبر من أو يساوي الطاقة الحرجة لذاتية التركيز في الهواء، حوالي 3.2 غيغاواط ل Ti:Sapphire الليزر في الطول الموجي نانومتر 800. توليد تضخم نبض في نظام مكبر للصوت ليزر femtosecond تجارية باستخدام البروتوكول الخاص بالشركة المصنعة. في الممارسة العملية، نبض الطاقة من حوالي 1 مللي جول لحوالي 35 خ نبض غير كافية. يتم الحصول على نتائج جيدة مع نبض الطاقة من 2-4 مللي جول.
  3. تمرير شعاع الليزر من خلال قزحية قليلاً يقص الحواف الخارجية. ولوحظ لتشجيع تكوين خيوط، منذ تشكيل خيوط من المعروف أن يكون المصنف بتدرجات حادة وإينهوموجينيتي في التشكيل الجانبي الكثافة المكانية من الليزر.
  4. تمرير الحزمة من خلال عدسة المتقاربة التي تحتوي البعد البؤري لحوالي 200 سم أو أكبر، حيث أن التركيز الهندسي ليس هكذا كبيرة أن ذاتية التركيز هي غارقة في انهيار الضوئية أو الحيود. قليلاً إمالة العدسة فيما يتعلق باتجاه نشر، نظراً لتباين إضافية من المعروف أن تساعد البذور عملية ذاتية التركيز.
  5. التقيد خيوط في موقع بالقرب من التركيز الهندسي للعدسة. تشخيص فيلامينتيشن بهالة (عدة الحجم ملم) منتشر المحيطة بنواة مشرق (حوالي 100 ميكرومتر-الحجم). يمكن أن ينظر إليه الهالة على ورقة بيضاء وتومض النوى مشرق عادة.
    1. بالإضافة إلى ذلك، نلاحظ خاصية ذاتية المرحلة عملية التحوير في الهواء، والتي تنتج حلقات الانبعاثات المخروطية المتعددة الألوان المشرقة، وتظهر خارج الشعيرة. ولوحظت لأشعة الليزر مع الطاقات التي هي عدة مرات عتبة فيلامينتيشن، خيوط متعددة. هذه مرئية متعددة النقاط المضيئة في نمط الانبعاث المخروطية، ويمكن القضاء عليها بتوهين أمام القزحية.

2-بعد مسح سطح الهدف

  1. وضع مرحلة اثنين-محور ترجمة إليه قادرة على نقل العينة في الاتجاه العرضي لنشر شعاع الليزر على الطاولة. ضمان أن شعاع الليزر حادث في وسط المسرح. الترباس المرحلة في الجدول مع مسامير. للأغراض المختبرية، من الأسهل عموما للحفاظ على شعاع الليزر ثابتة في الفضاء أثناء المسح المستهدفة ضمن الشعاع.
  2. وضع الرمل في حاوية (5 مم × 25.4 مم × 25.4 مم). سمك الرمل حوالي 2 مم.
    1. وضع المعادن (النحاس والفولاذ المقاوم للصدأ، الألمنيوم) على رأس الرمل (الشكل 3a). وتشمل المعادن مع آخر 2 مم طبقة من الرمل (الشكل 3b).
    2. مع الليزر قبالة، وضع الحاوية في وسط مرحلة الترجمة. تأكد من أن مركز الحاويات في الموقع حيث يتم ملاحظة فيلامينتيشن للخطوة 1، 1، 1-5.
  3. قاد إعداد التحكم بكمبيوتر الليزر لإطلاق رصاصة واحدة عندما إلكترونيا. كتابة ابفيف أو لغة كمبيوتر مشابهة لتنفيذ عنصر التحكم. للألى طلقة واحدة البقول، مطلوب مشغل خارجي.
    1. قم بتوصيل مشغل نبض TTL المنفذ "الخارجي الزناد" على الجزء الخلفي وحدة التحكم الليزر مع كابل BNC. تمكين خيار المشغل الخارجي في وحدة التحكم "الليزر". الآن سوف يؤدي إلى نبض TTL الليزر لإطلاق رصاصة واحدة.
  4. قم بإعداد جهاز استشعار المناسبة. إعداد مدخل مطياف مشيراً إلى نقطة التأثير.
    1. استخدام عدسة للزوجين على ضوء من فيلامينتيشن أثر نقطة في مطياف. تأكد من أن المسافة بين العدسة وفيلامينتيشن عن البعد البؤري.
    2. قم بتوصيل والمطياف مع كمبيوتر باستخدام كبل USB. استخدام البرمجيات لمراقبة الطيف. افتح البرنامج والطيف، ومن ثم انقر فوق الزر تشغيل .
    3. استخدم الماوس للتكبير أو التصغير في النطاق الذي يتم تسجيلها في التجربة. تحسين موقف مطياف بعد رؤية الإشارة على الشاشة.
    4. لقياسات التصوير، واستبدال والمطياف مع أنبوب ضوئي أو كاميرا CCD.
  5. كتابة برنامج LabVIEW أو لغة كمبيوتر مشابهة تنفيذ حلقة عبر الخطوات التالية: النار النار واحدة من الليزر؛ جمع وحفظ البيانات الناتجة عن ذلك؛ الانتقال في مرحلة الترجمة إلى نقطة تنسيق القادم.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يقتصر قرار الصور الممسوحة ضوئياً بصريا فقط بواسطة ميكرومتر ~ 100. ولذلك، ينبغي أن تكون الحركة مرحلة الترجمة لهذا الترتيب من حيث الحجم أو أصغر للحد الأقصى للقرار. غير أن هذا المستوى من القرار ليس من الضروري لجميع القياسات. وقد استخدمت هذا البروتوكول ل التصوير14 والقياسات الطيفية15 . ويبين الشكل 1 الإعداد التجريبية. النبض يتم إنشاؤها في نظام مكبر للصوت. النبض 1 كيلو هرتز، خ 50، وتركزت على 800 نانومتر. ويقارن الشكل 2 تفحص الصغيرة تكساس أية آند أم شعار الهدف اتخذت مع ليزر عند الحد حيود مقارنة بتفحص المتخذة مع شعاع تشكيل خيوط. تم إجراء هذه التجربة باستخدام خيوط في الماء السائل، ولكن النتائج قد يكون ترتيبها للهواء في الاستشعار عن بعد13. يظهر الشكل 3 مكانياً وتصميما الانهيار المستحثة بخيوط التحليل الطيفي بالأشعة من الأجسام المعدنية لتكوين مختلف دفن حوالي 2 ملم تحت طبقة من الرمل. كما تتضح الأشكال والتراكيب للأجسام المعدنية. بشكل عام، فيلامينتيشن يوفر عددا من الآليات للآثار المستهدفة. نبض الأولى يمكن أن تقدم معلومات عن الطبقة السطحية، بينما نبضات اللاحقة يمكن أن توفر معلومات في الأجزاء الأعمق من المواد عن طريق الاستئصال أو الإزالة الميكانيكية للطبقات السطحية.

figure-results-1
رقم 1. الإعداد التجريبية. الليزر هو 1 كيلو هرتز، خ 50، وتركزت على 800 نانومتر. فهو يركز بعدسة للوصول إلى الكثافة (~ 1013 واط/سم2) تشكل خيوط الليزر. الكائن هو تحت الرمال، ووضعت في مرحلة ترجمة. يتم تجميع الضوء المتناثرة مع مطياف. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

figure-results-2
رقم 2. تصوير محدودة زمنياً الفرعية diffraction. صور بعد إنشاؤها بواسطة المسح أشعة ليزر عبر شعار تكساس أية آند أم مطبوعة على بعد عدة أمتار. أ) شعار تصويرها مع شعاع غير فيلامينتيد. ب) شعار تصويرها مع شعاع فيلامينتيد. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

figure-results-3
الشكل 3. خريطة الكيميائية. قرر طيفيا ومكانيا الصورة للأجسام المعدنية المدفونة تحت الرمال- أ) الكائنات فوق الرمال. ب) الكائنات أدناه 2.3 ± 0.3 مم للرمل. ج) صورة مع التركيبة المادية مرمزة للخصائص الطيفية معدنية. صورة مركبة للكائنات المدفونة مع الألومنيوم (Al)، النحاس (Cu)، والفولاذ المقاوم للصدأ (SS) المقابلة للاحمر، الأخضر، والأزرق لون المكونات، على التوالي الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الطريقة المعروضة أعلاه بروتوكول مختبر لاستخدام ضوء الليزر عالية الكثافة تسليمها على مسافات كلاسيكي مستعصية على الحل. للعديد من التطبيقات الممكنة لمثل هذه الأكاذيب الضوء – السيارات،، ثز الإشعاع، فوتواكوستيكس، سوبيراديانسي، إلخ. --العديد من التطبيقات يمكن أن يحقق نقطة من المعلومات حول خصائص المواد السطحية. خيوط ليزر Femtosecond مع حجم بقعة شبه كلاسيكال حيود محدودة يسمح استخدام هذه التقنيات في حين مسح السطح على أساس نقطة بنقطة. هذا البروتوكول سرير اختبار مثالي لتطوير مثل هذه التقنيات.

الجانب الأكثر أهمية للبروتوكول توليد فيلامينتيشن ليزر. لإنشاء فيلامينتيشن الليزر مستقرة، هو كثافة الليزر حرجة قليلة 1013 واط/سم2 وكثافة فرضت حوالي14 1.4x10 ث/سم2 يقاس بالتجربة16. وهناك لا فيلامينتيشن الليزر عندما تكون الكثافة عالية أو منخفضة. إذا كانت الكثافة عالية جداً، قد المتأين المتوسطة بشدة في الوصل وسيحدث ليزر التي يسببها انهيار. وسيتبع شرارة ساطعة بدلاً من فيلامينتيشن ليزر. وفي هذه الحالة، التخفيف من السلطة أو استخدام عدسة مع طول بؤرية أطول. على العكس من ذلك، إذا كانت السلطة منخفضة (لاحظ لا توليد بلازما)، تزيد من القوة أو استخدام عدسة بطول بؤري قصير. وعلاوة على ذلك، وفي كلتا الحالتين، أنها جديرة بالاهتمام لضبط غرد للمساعدة على تشكيل ليزر فيلامينتيشن.

هذا أسلوب المسح عموما أكثر ملاءمة للاستخدامات المختبرية وإثبات المفهوم بدلاً من النشر الميداني منذ البعيد الاستشعار في الميدان عموما لا تسمح التحكم مرحلة الترجمة الدقيقة للهدف قيد التحقيق. يمكن استخدام نفس التقنيات المتقدمة مختبر الليزر في هذه السيناريوهات، ولكن سيكون الليزر نفسها المراد مسحها ضوئياً عن طريق شعاع التقليدية أكثر توجيه أساليب مثل تغيير اتجاه جهاز الليزر نفسها.

ويمكن تمديد البروتوكول بسهولة نسبيا تشمل التجارب مع خيوط متعددة أو خيوط حزم، تجارب ضخ-التحقيق، والتحليل الطيفي المواجهة، دليل موجي أو العديد من الإمكانيات الأخرى. وفي كل حالة واحدة من العقبات الرئيسية التي تجريبية يتم محاذاة النقاط المحورية المتقاطعة، ولكن مع هذا البروتوكول، هذا بحاجة إلى أن يتم إلا مرة واحدة. العناصر البصرية التي يتم إصلاحها في المكان والعينة نفسها هو الكائن الوحيد المطلوب للانتقال. يمكن أن يتم ذلك بدقة مع مرحلة ترجمة. كذلك تعديل لهذا البروتوكول لتحقيق مزيد من السيطرة على موقع المسافة تشكيل الشعيرة، بما في ذلك تشكيل خيوط في مئات الأمتار من الليزر، من الممكن من حيث المبدأ بالمراقبة الدقيقة لنبض الليزر الناتج. كما ستشكل Multi-فيلامينتيشن من الدليل موجي أثناء النشر، التي يمكن أن تساعد على تقديم ضوء في مساحة حرة.

الاستشعار عن بعد هو موضوع واسع يمتد على تخصصات مثل الفيزياء والكيمياء والهندسة والعلوم البيئية، إلخ. في المواد التكميلية، فإننا نقترح إضافية أنظمة الاستشعار عن بعد بما في ذلك المواجهة التحليل الطيفي، وسوبيراديانسي بالإضافة إلى فيلامينتيشن.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وأعلن لا تضارب في المصالح.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

البحث معتمد من قبل المكتب للبحرية البحث (ظاهرة) (جائزة N00014-16-1-2578 و N00014-16-1-3054)، "مؤسسة روبرت ولش ألف" (رقم المنحة A-1547، رقم A-1261)، مكتب القوات الجوية للبحث العلمي (رقم الجائزة FA9550-18-1-0141)، الذكية الزمالة ومنحة من مدينة الملك عبد العزيز للعلوم والتكنولوجيا ().

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
نظام ليزر فيمتو ثانيةمتماسكCo Legend EliteSystem 1 كيلو هرتز ، نظام fs طاقة نبض 4 مللي جول
IRISThorlabsid25معيار قزحية العين ، & Oslash ؛ 25.0 مم الفتحة القصوى ، TR3
Post LensThorlabsLA1908-CL = 50 سم ، عدسات بلانو محدبة (طلاء AR: 1050 - 1700 نانومتر)
المراياThorlabsPF10-03-P01بلانو مرآة معدنية
كاشف ضوئيHamamatsuH12694وحدة NIR-PMT الكهروحرارية
المبردة مطيافبصريات المحيطOCEAN_HDX_VIS_NIRمطياف ، نطاق ديناميكي عالي ، 350-950
مرحلة الترجمةThorlabsPT3-Z825 مم (0.98 بوصة) مرحلة الترجمة الآلية ثلاثية المحاور ، 1/4 "-20 صنبور
نظام

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Kocharocsky, V., et al. Gain-swept superrandiance applied to the stand-off detection of trace impurities in the atmosphere. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 102 (22), 7806-7811 (2005).
  2. Hemmer\, P., et al. Standoff spectroscopy via remote generation of a backward-propagation laser beam. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108 (8), 3130-3134 (2011).
  3. Zuber, M. T., et al. The Mars Observer laser altimeter investigation. Journal of Geophysical Research. 97, 7781(1992).
  4. Mejean, G., et al. Remote detection and identification of biological aerosols using a femtosecond terawatt lidar system. Applied Physics B: Lasers and Optics. 78 (5), 535-537 (2004).
  5. Boyd, R. W. Nonlinear Optics. , Academic Press. (2008).
  6. Gattass, R. R., Mazur, E. Femtosecond laser micromachining in transparent materials. Nature Photonics. 2, 219-225 (2008).
  7. Tognoni, E., Palleschi, V., Corsi, M., Christoforetti, G. Quantitative micro-analysis by laser-induced breakdown spectroscopy: a review of the experimental approaches. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy. 57 (7), 1115-1130 (2002).
  8. Beadie, G., et al. Toward a FAST CARS anthrax detector: coherence preparation using simultaneous femtosecond laser pulses. Optics Communications. 244, 423-430 (2005).
  9. Scully, M. O., et al. FAST CARS: Engineering of a laser spectroscopic technique for rapid identification of bacterial spores. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 99 (17), 10994-11001 (2002).
  10. Pestov, D., et al. Optimizing the laser-pulse configuration for coherent Raman spectroscopy. Science. 316 (5822), 265-268 (2007).
  11. Braun, A. Self-channeling of high-peak-power femtosecond laser pulses in air. Optics Letters. 20 (1), 73-75 (1995).
  12. Couairon, A., Mysyrowicz, A. Femtosecond filamentation in transparent media. Physics Reports. 441, 47-189 (2007).
  13. Wang, K., et al. Remote sub-diffraction imaging with femtosecond laser filaments. Optics Letters. 37 (8), 1343-1345 (2012).
  14. Strycker, B. D., Wang, K., Springer, M. D., Sokolov, A. V. Chemical-specific imaging of shallowly buried objects using femtosecond laser pulses. Applied Optics. 52 (20), 4792-4796 (2013).
  15. Heck, G., Sloss, J., Levis, R. J. Adaptive control of the spatial position of white light filaments in an aqueous solution. Optics Communications. 259 (1), 216-222 (2006).
  16. Li, H. L., et al. Critical power and clamping intensity inside a filament in a flame. Optics Express. 24 (4), 3424(2016).

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

مقالات ذات صلة