Femtosekunden-Laser-Filamente für den Einsatz in Sub-Diffraction-Limited Bildgebung und Fernerkundung

Ich freue mich, Professor Sokolov und sein Team vorstellen zu können. Sie waren die ersten, die Hochleistungslaser einsetzten, um Milzbrand in Echtzeit zu erkennen. Das heißt in einer Nanosekunde, nicht in einigen Sekunden.

Sie haben dann an anderen Problemen über die Filamentierung von Licht, die Fokussierung von Licht und Möglichkeiten, wie wir diese Techniken nutzen können, um über die Standard-Quantengrenzen zu gehen, gearbeitet. Wir beschreiben ein experimentelles Protokoll zur Verwendung von Femtosekunden-Laserfilamenten, um eine begrenzte Auflösung der Unterbeugung in Entfernungen zu erreichen, die klassisch unlösbar wären. Laserfilamente können eine hohe Intensität und einen Submillimeterdurchmesser über lange Ausbreitungsentfernungen beibehalten.

Dies ermöglicht die Erfassung, das Scannen und die Bildgebungsspektroskopie mit verbesserter Auflösung. Die Laser-Filamentation kann in vielen Medien einschließlich Atmosphäre und Wasser erzeugt werden. Die Technik kann an Ozeanoptikstudien angepasst werden.

Es ist nicht einfach, die Laser-Filamentierung zu erzeugen. Ein nützlicher Trick ist, das Zwitschern des Pulses einzustellen, um die notwendige Intensität zu erreichen. Heute werden wir also die Experimente zur Filamentierung sehen, die sich von Licht in winzige Fasern konzentrieren, und das ist etwas, was uns, in den gegenwärtigen Kontext, hilft, zu visualisieren, was wir mit den Experimenten tun, von der Erkennung von Milzbrand bis hin zum Betrachten der Meeresoptik.

Stellen Sie das Gerät auf einer optischen Bank auf und befolgen Sie die Sicherheitsvorkehrungen für einen Laser der Klasse 4. Um das Filament zu erstellen, verwenden Sie einen gepulsten, verstärkten Femtosekunden-Titan-Saphirlaser. Passieren Sie den Laserstrahl durch eine Iris, die die äußeren Kanten leicht abschneidet.

Der scharfe Gradient im räumlichen Intensitätsprofil, der durch das Schneiden des Lasers verursacht wird, ist der Samen-Filamentbildung bekannt. Als nächstes passieren Sie den Strahl durch eine konvergierende Linse mit einer Brennweite von mehr als 200 Zentimetern. Helfen Sie der Selbstfokussierung des Samens, indem Sie die Linse in Bezug auf die Ausbreitungsrichtung leicht kippen.

Ordnen Sie nach dem geometrischen Fokus der Linse einen geeigneten Balkenabwurf an. Um ein Filament zu beobachten, bedienen Sie den Laser mit einer sofortigen Ausgangsleistung, die für die Selbstfokussierung in der Luft ausreicht. Suchen Sie mit weißem Papier nach Filamentierungen in der Nähe des geometrischen Fokus der Linse.

Mit dem Papier im Strahlweg suchen Sie nach einem diffusen Halo von mehreren Millimetern, der einen flackernden, hellen Kern von etwa 100 Mikrometern umgibt. Machen Sie weitere Beobachtungen über das Filament hinaus. Dort sind helle, bunte, konische Emissionsringe das Ergebnis eines charakteristischen selbstphasigen Modulationsprozesses in der Luft.

Mehrere helle Flecken weisen darauf hin, dass es mehrere Filamente gibt. Um die hellen Flecken zu beseitigen, führen Sie Dämpfung in den Strahl vor der Iris. Mit der richtigen Dämpfung werden die hellen Flecken im konischen Emissionsmuster eliminiert.

Bereiten Sie sich darauf vor, einen Test des Remote-Scannens mit dem Laser durchzuführen. Sichern Sie eine zweiachsige motorisierte Übersetzungsstufe im Strahlweg, sodass sie senkrecht zum Strahl übersetzt wird. Stellen Sie sicher, dass das Laserstrahl-Filament in der Mitte der Bühne einfällt.

Erstellen Sie als Nächstes ein Ziel, das mit dem System scannt werden soll. Besorgen Sie sich einen Behälter und legen Sie zwei Millimeter Sand auf den Boden. Setzen Sie Kupfer-, Aluminium- und Edelstahlobjekte auf die Sandschicht.

Dann legen Sie eine weitere Zwei-Millimeter-Schicht Sand auf die Metalle. Mit dem Laser aus, legen Sie den Behälter in der Mitte der Übersetzungsstufe, wo die Filamentierung auftritt. Um Daten zu sammeln, schließen Sie die Spektrometerausgabe an den Computer an.

Richten Sie den externen Trigger und die Computersteuerung für den Laser ein, um einen einzigen Schuss abzufeuern. Als nächstes stellen Sie das Sensorgerät ein. Positionieren Sie in diesem Fall ein Spektrometer so, dass sein Eingang am Filamentierungs-Aufprallpunkt auf der Übersetzungsstufe zeigt.

Verwenden Sie die Linse, um Licht vom Aufprallpunkt in das Spektrometer zu koppeln. Platzieren Sie die Linse von einer bis zwei Brennweiten, von wo aus die Filamentierung auftritt. Lösen Sie den Laser per Software aus und notieren Sie das Signal vom Spektrometer.

Diese Anordnung aus Kupfer, Aluminium und Edelstahl ist unter etwa zwei Millimeter Nähsand verdeckt. Die spektralen Merkmale der vergrabenen Metalle, gemessen durch das Setup, ermöglichen die Erstellung eines zusammengesetzten Bildes mit Kupfer in Grün, Aluminium in Rot und Edelstahl in Cyan. Ein nicht filamentierter Laserstrahl an der Beugungsgrenze, der über ein kleines, gedrucktes Texas A&M-Logo gescannt wird, zeigt keinen erkennbaren Text an.

Im Gegensatz dazu erzeugt ein über das Logo gescannter fadenförmiger Laserstrahl ein Bild mit erkennbaren Elementen. Pulsenergie und -intensität sind sehr wichtige Parameter für die Erzeugung von Laserfilamentierung. Die Verwendung von Laserfilamentierung in der Fernspektroskopie kann das Signal-Rausch-Verhältnis bei der Fernerkundung erhöhen.

Diese Technik ebnete den Weg zur hohen Spektralauflösung in der Fernerkundung. Laser der Klasse 4, die für diese Arbeit notwendig sind, sind gefährlich. Experimentatoren sollten persönliche Schutzausrüstung tragen und alle Sicherheitsprotokolle befolgen.