חוטים לייזר הפמטו-שנייה לשימוש משנה-Diffraction-מוגבלת וחישה מרחוק
25 באפריל 2019
בפמטושניות בעוצמה גבוהה פולסים של אור לייזר יכול לעבור מחזורי קר עצמית התמקדות ו פלזמה defocusing, הפצת של קרן משנה-millimeter-קוטר אינטנסיבי על פני מרחקים ארוכים. אנו מתארים שיטה להפקת ולשימוש חוטים אלה כדי לבצע הדמיה וחישה מרחוק מעבר לגבולות עקיפה הקלאסית של אופטיקה לינארית.
אני שמח להציג את פרופסור סוקולוב וצוותו. הם היו הראשונים להשתמש בלייזרים בה הספק גבוה כדי לזהות אנתרקס בזמן אמת. כלומר בננו-שנייה, לא בעוד כמה שניות.
לאחר מכן הם עברו לעבוד על בעיות אחרות על תסיסת האור, התמקדות באור ודרכים שבהן אנו יכולים להשתמש בטכניקות אלה כדי לעבור את גבולות הקוונטים הסטנדרטיים. אנו מתארים פרוטוקול ניסיוני לשימוש בסיסי לייזר femtosecond על מנת להשיג תת-דיפוזיה ברזולוציה מוגבלת במרחקים שיהיו בלתי עבירים באופן קלאסי. חוטי לייזר יכולים לשמור על עוצמה גבוהה וקוטר תת מילימטר על פני מרחקי התפשטות ארוכים.
הדבר מאפשר חישה, סריקה, ספקטרוסקופיית הדמיה ברזולוציה משופרת. תריס הלייזר יכול להיווצר בתקשורת רבים כולל אטמוספרה ומים. ניתן להתאים את הטכניקה ללימודי אופטיקה באוקיינוס.
זה לא קל ליצור את תריס הלייזר. טריק שימושי אחד הוא להתאים את ציוץ הדופק כדי להשיג את האינטנסיביות הדרושה. אז היום אנחנו הולכים לראות את הניסויים על סיבים, התמקדות של אור לסיבים זעירים, וזה משהו אשר, לשים בהקשר הנוכחי, עוזר לנו לדמיין מה אנחנו עושים עם הניסויים, מגילוי אנתרקס להסתכל על אופטיקה האוקיינוס.
הגדר את המנגנון על ספסל אופטי ופעל באמצעי זהירות עבור לייזר Class 4. כדי ליצור את התסיסה, השתמש בלייזר ספיר טיטניום פעמו, מוגברת femtosecond. מעבירים את קרן הלייזר דרך קשתית החותך מעט את הקצוות החיצוניים.
שיפוע חד בפרופיל העוצמה המרחבית הנגרמת על ידי גזירת הלייזר ידוע היווצרות זרע. לאחר מכן, העבירו את הקרן דרך עדשה מתכנסת עם אורך מוקד גדול מ-200 ס"מ. עזרה זרע התמקדות עצמית על ידי הטיה קלה של העדשה ביחס לכיוון ההפצה.
סדר יש dump קרן מתאים לאחר המוקד הגיאומטרי של העדשה. כדי להתבונן בהספור, הפעילו את הלייזר עם כוח תפוקה מיידי המספיק להתמקדות עצמית באוויר. חפשו תסיסה ליד המוקד הגיאומטרי של העדשה באמצעות נייר לבן.
כשהנייר בנתיב הקרן, חפשו הילה מפוזרת של כמה מילימטרים המקיפה ליבה מהבהבת ובהירה של כ-100 מיקרומטר. בצע תצפיות נוספות מעבר לסילים. שם, טבעות פליטה חרוטיות בהירות, צבעוניות, הן תוצאה של תהליך אפנון עצמי אופייני באוויר.
נקודות אור מרובות מצביעות על כך שיש מספר תריסים. כדי לחסל את נקודות האור, להציג את ההתמהמה בקרן לפני הקשתית. עם ההטחה הנכונה, נקודות האור בתבנית הפליטה חרוט מסולקות.
היכונו לערוך בדיקה של סריקה מרחוק באמצעות הלייזר. אבטחו שלב תרגום ממונע דו-צירי בנתיב הקרן כך שהוא יתורגם בניצב לקרן. ודא כי קרן הלייזר הוא אירוע במרכז הבמה.
לאחר מכן, צור יעד לסריקה באמצעות המערכת. להשיג מיכל ולה מניחים שני מילימטרים של חול על החלק התחתון שלה. שים נחושת, אלומיניום, וחותי נירוסטה על גבי שכבת החול.
לאחר מכן, שים עוד שכבת חול של שני מילימטרים על גבי המתכות. עם הלייזר כבוי, לשים את המיכל במרכז שלב התרגום שבו התסיסה מתרחשת. כדי לאסוף נתונים, חבר את פלט הספקטרומטר למחשב.
הגדר את ההדק החיצוני ואת בקרת המחשב עבור הלייזר לירות ירייה אחת. הבא להגדיר את מנגנון החיישן. במקרה זה, למקם ספקטרומטר כך נקודות הכניסה שלה בנקודת ההשפעה של filamentation על שלב התרגום.
השתמש בעדשה כדי זוג אור מנקודת הפגיעה לתוך הספקטרומטר. מניחים את העדשה מאחד עד שני אורכי מוקד מהמקום שבו מתרחשת ההיסוס. הפעל את הלייזר על ידי תוכנה והקליט את האות מהספקטרומטר.
סידור זה של נחושת, אלומיניום ופלדת אל-חלד מוסתר מתחת לשני מילימטרים של חול. התכונות הספקטרליות של המתכות הקבורות כפי שנמדדו על ידי ההתקנה מאפשרות יצירת תמונה מרוכבת עם נחושת בירוק, אלומיניום באדום ופלדת אל-חלד בציאן. קרן לייזר ללא סיביות במגבלת ההתנתקות שנסרקת מעל לוגו A&M קטן ומודפס של Texas A&M אינה חושפת טקסט ניתן לזיהוי.
לעומת זאת, קרן לייזר ססילה שנסרקת מעל הלוגו יוצרת תמונה עם אלמנטים מובחנים. אנרגיית פולס ועוצמה הם פרמטרים חשובים מאוד ליצירת תריס לייזר. שימוש ב-filamentation בלייזר בספקטרוסקופיה מרוחקת עשוי להגביר את יחס האות לרעש בהשהיה מרחוק.
טכניקה זו סללה את הדרך להשגת הרזולוציה הספקטרלית הגבוהה בחוש מרחוק. לייזרים מדרגה 4 הנחוצים לעבודה זו הם מסוכנים. על הניסויים ללבוש ציוד מגן אישי ולעקוב אחר כל פרוטוקולי הבטיחות.
סקירה כללית
מחקר זה בוחן את השימוש בפולסים של לייזר פמטושנייה בעוצמה גבוהה לצורך דימוי וחשישה מרחוק מעבר לגבולות הדיפרקציה הקלאסיים. הטכניקה מנצלת פילמנטציה של לייזר כדי לשמור על עוצמה גבוהה וקוטר של פחות ממילימטר למרחקים ארוכים, מה שמאפשר רזולוציה משופרת במגוון יישומים.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- פיזיקה של לייזרים
- דימוי אופטי
- חישוש מרחוק
רקע
- לייזרים בעלי הספק גבוה יכולים לזהות חומרים כגון anthrax בזמן אמת.
- פילמנטציה של אור מאפשרת טכניקות מיקוד החורגות מגבולות הקוונטום הסטנדרטיים.
- ניתן להיווצר פילמנטים לייזריים במדיומים שונים, כולל אוויר ומים.
- כוונון ה-chirp של הפולס הוא קריטי להשגת העוצמה הדרושה עבור פילמנטציה (filamentation).
מטרת המחקר
- להדגמת השימוש בסיבי לייזר פמטו-שנייה לצילום ברזולוציה שמתחת לגבול הדיפרקציה.
- לבחינת יישומים בחיישון מרחוק ובספקטרוסקופיה.
- לספק פרוטוקול ליצירה ולניצול יעיל של סיבי לייזר.
שיטות שבהן נעשה שימוש
- הקמה של לייזר טיטניום-ספיר פמטושני מוגבר בפולסים.
- קיטום (clipping) של קרן הלייזר כדי לעודד היווצרות פילמנט.
- שימוש בעדשה קעורה לסיוע במיקוד עצמי.
- ביצוע בדיקות סריקה מרחוק עם מטרות מתכת קבורות.
תוצאים עיקריים
- קרני לייזר פילמנטריות (Filamented) אפשרו הדמיה ברורה של עצמים המוסתרים על ידי חול.
- נצפתה רזולוציה ספקטרלית משופרת ביישומים של חישה מרחוק.
- אנרגיית פולס ועצימות נאותות היו קריטיות להשגת פילמנטציה מוצלחת.
מסקנות
- טכניקות של פילמנטציית לייזר יכולות לשפר משמעותית את יכולות ההדמיה מרחוק.
- פרוטוקולי בטיחות הם חיוניים בעבודה עם לייזרים מסוג Class 4.
- מחקר זה פותח נתיבים ליישומים מתקדמים בניטור סביבתי וביטחוני.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
פילמנטציה בלייזר פמטושנייה מאפשרת דימות מתחת לגבול הדיפרקציה וחישוש מרחוק במרחקים מעבר לגבולות הקלאסיים, ובכך מציעה רזולוציה מרחבית משופרת לזיהוי מטרות קבורות או מוסתרות. יכולת זו תומכת באימות מטרות בשלבים מוקדמים בניטור סביבתי ובאבטחה, על ידי אספקת נתוני דימות וספקטרום ברמת דיוק גבוהה ללא צורך בקרבה פיזית. הטכניקה משפרת את הביטחון החיזוי בתהליכי עבודה של חישוש מרחוק על ידי התגברות על מחסומי הדיפרקציה המגבילים מערכות אופטיות קונבנציונליות.
יישומים אסטרטגיים במו"פ של ביו-פארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של דגימות תת-קרקעיות או מסותרות באמצעות חדירה ורזולוציה משופרות, ובכך תומך בבדיקת השערות במטריצות מורכבות.
- ערך תפעולי: מאפשר ניתוח מרחוק וללא מגע של דגימות מסוכנות או לא נגישות, ובכך מפחית את הצורך בהכנת דגימות ואת סיכוני החשיפה.
סריקה ופיתוח בדיקה (Assay)
- ערך מדעי: מספק חתימות ספקטרליות ברזולוציה גבוהה לזיהוי חומרים, מה שמאפשר הבחנה מדויקת של יסודות בדגימות שכבתיות.
- ערך תפעולי: תומך בפלטפורמות סריקה מרחוק ניתנות להרחבה עבור סריקה בקיבולת גבוהה (high-throughput screening) של מטרות קבורות או מוטמעות בסביבות מבוקרות.
מחקר תרגומי ופקליני
- ערך מדעי: מציע נתיב לתרגום טכניקות פילימנטציה המבוססות על מעבדה למערכות חישוש שניתן לפרוס בשטח לצורך ניטור בעולם האמיתי.
- ערך תפעולי: מאפשר רציפות משלב הגילוי לשלב התיקוף על ידי שמירה על ביצועי דימוי וספקטרוסקופיה עקביים במגוון קני מידה.
שילוב בצינור עיבוד ובזרימת עבודה
השיטה משתלבת בתהליכי גילוי ככלי חישה מרחוק המגשר בין ניתוח אופטי מבוסס מעבדה לבין זיהוי שניתן ליישום בשטח, במיוחד עבור דגימות שבהן הגישה הישירה מוגבלת או מסוכנת.
- ביולוגיה של גילוי (Discovery Biology): תומכת בבדיקת היפותזות על ידי מתן אפשרות לדימוי ברזולוציה גבוהה של מבנים פנימיים במטריצות אטומות או רב-שכבתיות ללא צורך בחיתוך פיזי.
- סריקה (Screening): משפרת את מוכנות הבדיקה על ידי אספקת נתונים ספקטרליים כמותיים בעלי רזולוציה מרחבית לצורך זיהוי מטרות ברקעים מורכבים.
- אנליטיקה (Analytics): מספקת מדידות מדויקות של משתנים תלויים (למשל, ספקטרומי פליטה אלמנטריים) המאפשרות השוואה בין תנאים שונים ותומכות באפליה סטטיסטית.
- מחקר תרגומי (Translational Research): מקשרת להמשכיות פרה-קלינית על ידי מתן ביצועי זיהוי עקביים מהמעבדה ועד לתנאי שטח מדומים.
- שימוש חוזר ארגוני (Enterprise Reuse): מהווה טכנולוגיית פלטפורמה ניתנת לשימוש חוזר, הניתנת להתאמה למדזיים מרובים (אוויר, מים) ולסוגי מטרות שונים עבור שימוש חוזר ביישומי אבטחה וסביבה.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי בזיהוי מטרות על ידי הפרדה של מאפיינים מתחת לגבול הדיפרקציה, ובכך מפחית תוצאות שליליות שגויות בדגימות מוסתרות.
- ערך תפעולי: משפר את השחזוריות והסטנדרטיזציה באמצעות יצירה מבוקרת של פילמנטים באמצעות כוונון ה-pulse chirp וחיתוך אלומה (beam clipping).
- ערך אסטרטגי: תומך בקבלת החלטות טובה יותר של go/no-go בסריקות אבטחה, על ידי מתן אפשרות לגילוי מהימן של חומרים מסוכנים הקבורים תחת גורמים מפריעים.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תעדוף של טכנולוגיות חישייה מותאם-סיכון, המבוסס על רזולוציית שלטון מוכחת ונאמנות ספקטרלית.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות בפיזיקה של לייזרים אולטרה-מהירים ואופטיקה לא-ליניארית ליצירה בטוחה ואפקטיבית של פילמנטים.
- תלוי בלייזרי טיטניום-ספיר פמטושנייה מוגברים בפולסים ובמרכיבים אופטיים מדויקים (צמצם, עדשה, בולע קרן).
- מחייב סטנדרטיזציה של פרמטרי הלייזר (אנרגיית פולס, עוצמה, chirp) בין הצוותים כדי להבטיח פילמנטציה עקבית בין משתמשים ומעבדות שונות.
- כולל שיקולי התאמה בעת מעבר מאוויר למים או למדיומים אחרים, בשל שינויים במקדם השבירה הלא-ליניארי ובספי-מיקוד עצמי.
- מוגבל על ידי הצורך בפרוטוקולי בטיחות ללייזר מסוג Class 4, כולל ציוד מיגון וסביבות עם גישה מבוקרת.
