飞秒激光丝在亚衍射极限成像与远程探测中的应用

摘要

高强度飞秒激光脉冲可在克尔自聚焦与等离子体散焦之间发生周期性交替，使高强度、亚毫米直径的光束在长距离上传播。本文介绍一种生成和利用这些光丝的技术，用于实现超越传统线性光学衍射极限的远程成像与传感。

摘要

利用激光探测远距离物质是一种广泛应用的技术，其应用场景涵盖激光诱导击穿光谱和条形码扫描仪等。在经典光学中，能够作用于远距离目标的光强受到激光在目标距离处光斑尺寸的限制。该光斑尺寸存在一个由经典光学衍射极限决定的下限。然而，放大后的飞秒激光脉冲可产生足够高的光强，改变周围空气的折射率，从而引发自聚焦效应。这种自聚焦效应会形成高强度的激光丝状结构，其光强和亚毫米级的小直径可在远超经典瑞利长度的距离上得以维持。此类高强度特性使得在远距离实现扫描、成像、传感和光谱分析成为可能，并显著提升空间分辨率。本文介绍一种利用飞秒再生啁啾脉冲放大器产生激光丝状结构的技术，并阐述如何利用所产生的丝状激光在至少数米远的距离上进行成像和光谱测量。

引言

激光束的空间相干性及其相应的小发散角已广泛应用于遥感领域，包括对大气进行化学敏感性测量^1,2、测距³以及远程光谱分析⁴。相同的相干特性使得激光能够被高度聚焦，从而在连续工作时实现每平方厘米数十亿瓦的聚焦强度，或在数飞秒的时间内达到每平方厘米10¹³瓦的脉冲强度。此类极端强度在众多应用中具有重要价值，包括研究物质的非线性光学特性⁵、精密光学微加工⁶、通过激光诱导击穿光谱进行材料表征⁷、受激拉曼光谱分析^8,9,10以及痕量化学物质检测¹¹。

然而，高斯光束的物理局限性限制了同时实现极高光强和小发散角特性的能力。将激光束聚焦到很小的光斑尺寸时，其发散角必然增大。经典情况下，光束发散角由公式 给出，其中 λ 为波长，w₀ 为光束束腰半径。由于发散角由激光束直径和聚焦透镜的焦距 f 决定，，当焦距 f 相对于光束直径 d 变得较大时，便无法在数米远的距离上实现紧密聚焦。

在飞秒脉冲放大领域工作的研究人员注意到，对于高强度飞秒脉冲而言，强度与作用距离之间的这种限制关系在远距离目标上出现被打破的现象，表现为激光源远处的目标上出现小于衍射极限的烧蚀痕迹¹²。研究发现，这一现象源于克尔效应的自聚焦。空气的折射率会随激光场强度的增加而成比例改变，当激光具有高斯强度分布时，所形成的折射率分布实际上起到透镜的作用⁵。光束在传播过程中会自发聚焦，形成半径小于100 µm的细长而高强度的光丝，其微小尺寸由经典衍射、克尔自聚焦以及等离子体产生引起的离焦效应之间的动态平衡所维持¹³。

利用飞秒激光丝状结构，使用商业化的飞秒啁啾脉冲放大器即可在数米距离外将强度约为10¹³ W/cm²的激光传递到目标物。因此，许多以往需要高数值孔径透镜紧密聚焦且目标物必须非常靠近透镜的实验，现在可以在更符合遥感应用典型距离的条件下进行。然而，通过丝状化难以实现远高于此阈值的激光强度，因为光束倾向于分裂成多个独立的细丝，而每个细丝的强度均接近自聚焦的临界功率¹³。

可能的应用有很多。本文介绍一种主要适用于利用飞秒激光丝在目标表面扫描进行远程目标成像和光谱分析的实验方案。实验装置如图1所示。

方案

1. 飞秒激光丝的产生

1. 由于飞秒光丝需要四类激光器输出，因此应佩戴适用于所用特定激光系统的适当眼部防护装备，并建立清晰且定义明确的光路，配备合适的光束吸收装置。遵守所有标准的激光安全操作规程。
2. 使用脉冲式放大飞秒激光器的输出作为起始光源，其瞬时输出功率应大于或等于空气中自聚焦的临界功率，对于波长为800 nm的钛宝石激光器，该临界功率约为3.2 GW。按照制造商的操作规程，在商用飞秒激光放大系统中产生放大脉冲。实践中，对于约35 fs的脉冲，脉冲能量约为1 mJ已足够；使用2–4 mJ的脉冲能量可获得良好效果。
3. 使激光束通过一个光阑，轻微截取光束的外边缘。观察发现，这有助于促进光丝形成，因为已知光丝的形成由激光空间强度分布中的陡峭梯度和非均匀性引发。
4. 使光束通过焦距约为200 cm或更长的会聚透镜，以确保几何聚焦不至于过强，从而避免自聚焦被光学击穿或衍射所掩盖。将透镜相对于传播方向略微倾斜，因为已知额外的各向异性有助于触发自聚焦过程。
5. 在透镜几何焦点附近的位置观察光丝。通过明亮（约100 µm大小）核心周围环绕的弥散（数毫米大小）光晕来判断光丝的形成。光晕可在白纸上观察到，而明亮核心通常会闪烁。
   1. 此外，可观察到空气中特征性的自相位调制过程，该过程在光丝后方产生明亮的多色锥形发射环。对于能量为光丝形成阈值数倍的激光，可观察到多个光丝。这些光丝在锥形发射图样中表现为多个明亮斑点，可通过在光阑前进行衰减予以消除。

2. 目标表面的远程扫描

1. 将一个能够在垂直于激光束传播方向上移动样品的双轴电动平移台放置在实验台上。确保激光束入射到平移台的中心位置，并使用螺丝将平移台固定在实验台上。在实验室操作中，通常更便于保持激光束在空间中的位置固定，而使样品在激光束下进行扫描。
2. 将沙子放入一个容器中（5 mm × 25.4 mm × 25.4 mm），沙层厚度约为 2 mm。
   1. 将金属材料（铜、不锈钢、铝）放置在沙子顶部（图3a），然后在金属上方再覆盖一层约 2 mm 厚的沙子（图3b）。
   2. 在激光关闭状态下，将容器置于平移台的中心位置，确保容器中心位于步骤 1.1–1.5 中观察到丝状现象的位置。
3. 设置激光器的计算机控制，使其在接收到电子指令时发射单发脉冲。使用 LabVIEW 或类似的编程语言编写控制程序。对于自动化的单脉冲发射，需要使用外部触发信号。
   1. 使用 BNC 电缆将触发 TTL 脉冲连接至激光控制模块背面的“外部触发”端口，并在激光控制模块上启用外部触发功能。此时，TTL 脉冲将触发激光器发射单个脉冲。
4. 搭建适当的传感器装置，将光谱仪的入射口对准激光作用点。
   1. 使用透镜将丝状现象作用点发出的光耦合进入光谱仪，确保透镜与丝状区域之间的距离约为透镜的焦距。
   2. 使用 USB 电缆将光谱仪连接至计算机，并运行配套软件以监测光谱信号。打开软件和光谱界面后，点击 运行 按钮。
   3. 使用鼠标放大实验中记录的光谱范围，并根据屏幕上显示的信号优化光谱仪的位置。
   4. 对于成像测量，可将光谱仪替换为光电倍增管或 CCD 相机。
5. 使用 LabVIEW 或类似的编程语言编写程序，循环执行以下步骤：从激光器发射单发脉冲；采集并保存相应数据；将平移台移动至下一个坐标点。

结果

扫描图像的分辨率在光学上仅受限于约 100 µm。因此，为实现最高分辨率，平移台的移动步长应处于该量级或更小。然而，并非所有测量都需要达到此级别的分辨率。本实验方案已成功应用于成像¹⁴和光谱¹⁵测量。 图1展示了实验装置示意图。脉冲由放大器系统产生，其重复频率为 1 kHz，脉宽为 50 fs，中心波长为 800 nm。 图2对比了在衍射极限下使用激光扫描一个微小的 Texas A&M 标志靶的结果与使用成丝光束扫描同一目标的结果。该实验在液态水中产生的等离子体细丝条件下完成，但其结果可通过缩放应用于大气中的远程探测¹³。 图3展示了对埋藏于约两毫米厚沙层下方、不同成分金属物体进行的空间分辨等离子体细丝诱导击穿光谱扫描结果。金属物体的形状和成分清晰可辨。通常情况下，等离子体细丝可通过多种机制作用于目标物：初始脉冲可提供材料表面层的信息，而后续脉冲则可通过烧蚀或机械方式去除表面层，从而获取材料更深层的信息。

图 1. 实验装置示意图。 激光器参数为 1 kHz 重复频率、50 fs 脉冲宽度，中心波长为 800 nm。通过透镜聚焦，使激光强度达到约 10¹³ W/cm²，以形成激光成丝。被测物体埋于沙中，并置于平移台上。散射光由光谱仪收集。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 2. 超衍射极限成像。 通过将激光束在数米远距离处扫描一个打印的德克萨斯农工大学（Texas A&M）标志，获得的远程图像。a) 使用非成丝光束成像的标志。b) 使用成丝光束成像的标志。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3. 化学分布图。通过光谱和空间分辨成像技术获得的沙下埋藏金属物体图像。 a) 沙面上的物体。b) 埋藏于厚度为2.3 ± 0.3 mm沙层下的物体。c) 根据金属光谱特征进行颜色编码的材料成分图像。埋藏物体的复合图像中，铝（Al）、铜（Cu）和不锈钢（SS）分别对应红色、绿色和青色通道 请点击此处查看该图的高清版本。

讨论

上述方法是一种实验室方案，用于在传统上难以实现的距离下输送高强度激光光。此类激光光的众多潜在应用包括：相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）、激光诱导击穿光谱（FIBS）、太赫兹辐射、光声效应、超辐射等。 等等许多应用能够提供表面材料特性的点信息。具有亚经典衍射极限光斑尺寸的飞秒激光丝，可在对表面进行逐点扫描时应用这些技术。本方案是开发此类技术的理想测试平台。

该实验方案最关键的步骤是产生激光丝状效应。为了生成稳定的激光丝状结构，实验测得所需的临界激光强度约为10¹³ W/cm²量级，而钳制强度约为1.4×10¹⁴ W/cm²¹⁶。当激光强度过高或过低时，均无法形成激光丝状效应。若强度过高，介质在焦点处可能发生强烈电离，导致激光诱导击穿，此时将观察到明亮的火花而非激光丝状结构。在这种情况下，应衰减激光功率或使用焦距更长的透镜。相反，若激光功率过低（未观察到等离子体生成），则应提高功率或使用焦距更短的透镜。此外，无论哪种情况，调节激光脉冲的啁啾都有助于激光丝状结构的形成。

这种扫描技术通常更适合实验室使用和概念验证，而不适合野外部署，因为在野外进行遥感时，通常无法对被测目标实现精细的平移台控制。在这些情况下，可以采用实验室开发的相同激光技术，但必须通过更传统的光束 steering 方法（例如改变激光装置本身的取向）来扫描激光本身。

该方案可相对容易地拓展应用于涉及多根丝状结构、丝状束、泵浦-探测实验、远程光谱、波导或众多其他可能性的实验。在每种情况下，主要的实验难点之一是交叉焦点的对准，但采用本方案后，此对准仅需进行一次即可。光学元件被固定在位，唯一需要移动的物体是样品本身，这可通过平移台非常精确地实现。通过精确控制输出激光脉冲，原则上还可进一步修改本方案，以实现对丝状结构形成距离位置的更精确调控，包括在距离激光器数百米处形成丝状结构。在传播过程中，多丝状结构的形成还会产生波导效应，有助于在自由空间中传输光信号。

遥感是一门涵盖物理学、化学、工程学、环境科学等学科的广泛领域。etc。在补充材料中，我们提出了除光丝化之外的其他遥感方案，包括远程光谱学和超辐射。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
飞秒激光系统	Coherent Co	Legend Elite System	1 kHz 系统，飞秒系统脉冲能量 4 mJ
光阑	Thorlabs	id25	标准安装光阑，Ø25.0 mm 最大孔径，TR3 支架
透镜	Thorlabs	LA1908-C	焦距 L=50 cm，平凸透镜（增透膜：1050 - 1700 nm）
反射镜	Thorlabs	PF10-03-P01	平面金属反射镜
光电探测器	Hamamatsu	H12694	热电制冷近红外光电倍增管模块
光谱仪	Ocean Optics	OCEAN_HDX_VIS_NIR	光谱仪，高动态范围，350-950
平移台	Thorlabs	PT3-Z8	25 mm (0.98") 三轴电动平移台，1/4"-20 螺纹孔