飞秒激光丝在亚衍射极限成像与远程探测中的应用

我很高兴介绍 Sokolov 教授及其团队。他们首次利用高功率激光实现了对炭疽杆菌的实时检测。也就是说，检测时间仅需一纳秒，而不是数秒。

随后，他们继续研究了与光丝化、光聚焦相关的其他问题，以及如何利用这些技术突破标准量子极限的方法。本文描述了一种实验方案，利用飞秒激光丝实现远距离的亚衍射极限分辨率，该距离在经典方法下难以实现。激光丝能够在长距离传播过程中保持高强度和亚毫米直径。

这使得传感、扫描和成像光谱技术的分辨率得到提升。激光成丝可在多种介质中产生，包括大气和水。该技术可适用于海洋光学研究。

产生激光丝状结构并不容易。一个有效的技巧是调节脉冲的啁啾，以达到所需的强度。因此，今天我们将观察关于丝状结构的实验，即把光聚焦成极细的纤维。在当前的背景下，这有助于我们直观地理解实验所涉及的内容，从炭疽检测到海洋光学研究。

将装置安装在光学平台上，并遵守四级激光器的安全操作规程。使用脉冲式放大飞秒钛蓝宝石激光器产生丝状光束。让激光束通过一个光圈，适当截取其外边缘。

已知激光被截断后产生的空间强度分布锐利梯度会促进丝状结构的形成。接下来，使光束通过焦距大于200厘米的会聚透镜。通过略微倾斜透镜相对于传播方向的角度，有助于诱发自聚焦。

在透镜的几何焦点后方设置合适的光束吸收装置。为观察等离子体细丝，需调节激光器输出功率，使其瞬时功率足以在空气中引发自聚焦效应。使用白纸在透镜几何焦点附近观察是否存在细丝现象。

将纸张置于光束路径中，观察围绕约100微米闪烁亮核的、数毫米大小的弥散光晕。继续在丝状结构之外进行观测，此处明亮且呈多色的锥形发射环是空气中一种特征性自相位调制过程的结果。

多个亮斑表明存在多根细丝。为消除亮斑，需在光阑前对光束引入衰减。通过适当的衰减，锥形发射图案中的亮斑将被消除。

准备进行激光远程扫描测试。将一个双轴电动平移台固定在光路中，使其移动方向垂直于光束方向。确保激光束的光丝入射在平移台的中心位置。

接下来，创建一个供系统扫描的靶标。取一个容器，并在其底部放置两毫米厚的沙层。将铜、铝和不锈钢物体放在沙层上方。

然后，在金属上方再铺一层两毫米厚的沙子。关闭激光后，将容器置于平移台中央发生丝状现象的位置。为了采集数据，将光谱仪输出端连接至计算机。

设置激光器的外部触发和计算机控制，以发射单次激光脉冲。接下来设置传感器装置。在此情况下，将光谱仪放置在平移台上的丝状效应作用点处，并使其入射口对准该点。

使用透镜将等离子丝产生位置的光耦合进入光谱仪。将透镜放置在等离子丝发生位置的一到两倍焦距处。通过软件触发激光器，并记录光谱仪的信号。

这种铜、铝和不锈钢的排列被约两毫米厚的沙层所覆盖。通过该装置测得的埋藏金属的光谱特征，可生成一幅合成图像，其中铜显示为绿色，铝显示为红色，不锈钢显示为青色。一束未聚焦成细丝的激光在衍射极限下扫描一个小型印刷的德克萨斯农工大学（Texas A&M）标志时，并不能识别出清晰的文本内容。

相比之下，使用经丝状激光束扫描标志可生成具有可辨识元素的图像。脉冲能量和强度是产生激光丝状效应的关键参数。在远程光谱学中应用激光丝状效应，可提高遥感中的信噪比。

该技术为实现遥感中的高光谱分辨率奠定了基础。本工作所需的4类激光器具有危险性。实验人员应佩戴个人防护装备，并严格遵守所有安全规程。