Filamenty laserów femtosekundowych do stosowania w obrazowaniu o ograniczonej subdyfrakcji i teledetekcji

Podsumowanie

Impulsy femtosekundowe światła laserowego o wysokiej intensywności mogą przechodzić cykle samoogniskowania Kerra i rozogniskowania plazmowego, rozchodząc intensywną wiązkę o średnicy poniżej milimetra na duże odległości. Opisujemy technikę generowania i wykorzystywania tych włókien do wykonywania zdalnego obrazowania i wykrywania poza klasycznymi granicami dyfrakcyjnymi optyki liniowej.

Streszczenie

Sondowanie odległej materii za pomocą światła laserowego jest wszechobecną techniką stosowaną w tak różnych okolicznościach, jak spektroskopia rozpadu indukowana laserem i skanery kodów kreskowych. W klasycznej optyce intensywność, którą można skierować na odległy cel, jest ograniczona przez rozmiar plamki lasera w odległości od celu. Ta wielkość plamki ma dolną granicę wyznaczoną przez granicę dyfrakcji klasycznej optyki. Jednak wzmocnione femtosekundowe impulsy laserowe generują intensywność wystarczającą do modyfikacji współczynnika załamania światła otaczającego powietrza i poddania się samoogniskowaniu. Ten efekt samoogniskowania prowadzi do generowania bardzo intensywnych włókien laserowych, które utrzymują swoją intensywność i małą średnicę poniżej milimetra w odległościach znacznie przekraczających klasyczną długość Rayleigha. Taka intensywność zapewnia możliwość zdalnego skanowania, obrazowania, wykrywania i spektroskopii ze zwiększoną rozdzielczością przestrzenną. Opisujemy technikę generowania włókien za pomocą femtosekundowego regeneracyjnego wzmacniacza impulsów ćwierkających oraz wykorzystania powstałego włókna do prowadzenia pomiarów obrazowych i spektroskopowych w odległych odległościach co najmniej kilku metrów.

Wprowadzenie

Spójność przestrzenna i odpowiadający jej mały kąt rozbieżności wiązek laserowych doprowadziły do licznych zastosowań w teledetekcji, w tym do chemicznie czułych pomiarów atmosfery^1,2, range-finding³, oraz zdalna spektroskopia⁴. Te same właściwości koherencji pozwalają na bardzo ścisłe ogniskowanie światła laserowego, które może zapewnić ciągłą intensywność skupienia wynoszącą miliardy watów na centymetr kwadratowy i intensywność impulsów wynoszącą 10¹³ watów na centymetr kwadratowy w okresie kilku femtosekund. Tak ekstremalne intensywności są przydatne w wielu zastosowaniach, w tym w badaniu nieliniowych właściwości optycznych materii⁵, precyzyjnej mikroobróbce optycznej⁶, charakteryzacji materiałów za pomocą spektroskopii rozpadu indukowanej laserem⁷, stymulowana spektroskopia Ramana^8,9,10 oraz wykrywanie śladowych ilości substancji chemicznych¹¹.

Jednak fizyczne ograniczenia wiązek Gaussa wyznaczają ograniczenia w możliwości jednoczesnego zastosowania tych właściwości o ekstremalnej intensywności i małym kącie rozbieżności. Wiązka laserowa skupiona na małym rozmiarze plamki z konieczności rozejdzie się pod większym kątem. Klasycznie kąt rozbieżności wiązki jest określony wzorem , gdzie λ jest długością fali, a w₀ jest promieniem talii wiązki. Ponieważ kąt rozbieżności jest ustalany przez średnicę wiązki laserowej i ogniskową f soczewki skupiającej, , a ścisłe ogniskowanie nie jest możliwe w odległościach wielu metrów, ponieważ f staje się duże w porównaniu do d.

Pracownicy zajmujący się wzmocnionymi impulsami femtosekundowymi zauważyli, że to ograniczenie intensywności w stosunku do zasięgu zostało naruszone dla impulsów femtosekundowych o wysokiej intensywności, z śladami oparzenia mniejszymi niż limit dyfrakcji pojawiającymi się na celach znajdujących się w dużej odległości od źródła lasera¹². Okazało się, że jest to spowodowane efektem Kerra, który skupia się na sobie. Współczynnik załamania światła powietrza jest modyfikowany proporcjonalnie do natężenia pola laserowego, a gdy laser ma profil intensywności Gaussa, wynikowy profil intensywności załamania światła staje się funkcjonalnie soczewką⁵. Wiązka sama skupia się podczas rozchodzenia się, w wyniku czego powstaje wąskie i intensywne włókno o promieniu mniejszym niż 100 μm, którego mały rozmiar jest utrzymywany przez dynamiczną równowagę między klasyczną dyfrakcją, samoogniskowaniem Kerra i deogniskowaniem spowodowanym generowaniem plazmy¹³.

Z włóknami lasera femtosekundowego, natężenia rzędu 10¹³ W/^cm2 mogą być dostarczane do celów na odległość wielu metrów za pomocą dostępnych na rynku wzmacniaczy impulsów femtosekundowych. W ten sposób wiele eksperymentów, które wcześniej wymagały ścisłych warunków ustawiania ostrości i celów znajdujących się bardzo blisko obiektywu o dużej aperturze numerycznej, można teraz przeprowadzić z odległości bardziej typowej dla zastosowań teledetekcyjnych. Jednak intensywności znacznie wyższe niż ten próg nie są łatwo możliwe przy filamentacji, ponieważ wiązka ma tendencję do rozpadania się na wiele filamentów, z których każdy znajduje się w pobliżu krytycznej mocy dla samoogniskowania¹³.

Możliwe są liczne zastosowania. Przedstawiamy protokół mający zastosowanie przede wszystkim do obrazowania i spektroskopii odległych celów za pomocą femtosekundowego filamentu laserowego skanowanego nad powierzchnią tarczy. Konfiguracja eksperymentalna jest pokazana na rysunku 1.

Protokół

1. Tworzenie włókna lasera femtosekundowego

1. Ponieważ włókna femtosekundowe wymagają mocy wyjściowej lasera klasy 4, należy nosić odpowiednią ochronę oczu dostosowaną do konkretnego używanego systemu laserowego i ustalić wyraźną i dobrze zdefiniowaną linię wiązki z odpowiednim zrzutem wiązki. Postępuj zgodnie ze wszystkimi standardowymi procedurami bezpieczeństwa lasera.
2. Zacznij od wyjścia impulsowego, wzmocnionego lasera femtosekundowego, którego chwilowa moc wyjściowa jest większa lub równa mocy krytycznej dla samoogniskowania w powietrzu, około 3,2 GW dla lasera Ti:Sapphire o długości fali 800 nm. Wygeneruj wzmocniony impuls w komercyjnym systemie wzmacniacza lasera femtosekundowego przy użyciu protokołu producenta. W praktyce energia impulsu około 1 mJ jest wystarczająca dla impulsu o wartości około 35 fs. Dobre wyniki uzyskuje się przy energii impulsu 2-4 mJ.
3. Przepuść wiązkę lasera przez tęczówkę, która lekko przycina zewnętrzne krawędzie. Obserwuje się, że sprzyja tworzeniu się włókien, ponieważ wiadomo, że tworzenie włókien jest wywoływane przez ostre gradienty i niejednorodność w przestrzennym profilu intensywności lasera.
4. Przepuść wiązkę przez soczewkę zbieżną o ogniskowej około 200 cm lub większej, tak aby ogniskowanie geometryczne nie było tak duże, że samoogniskowanie jest przytłoczone przez przebicie optyczne lub dyfrakcję. Lekko przechyl obiektyw w stosunku do kierunku propagacji, ponieważ wiadomo, że dodatkowa anizotropia pomaga w procesie samodzielnego ustawiania ostrości.
5. Obserwuj żarnik w miejscu w pobliżu geometrycznego ogniska soczewki. Zdiagnozuj filamentację za pomocą rozproszonego (o rozmiarach kilku mm) halo otaczającego jasne (o rozmiarach około 100 μm) jądro. Halo można było zobaczyć na białym papierze, a jasne jądra zwykle migoczą.
   1. Dodatkowo obserwuj charakterystyczny proces samomodulacji fazy w powietrzu, który wytwarza jasne, wielokolorowe stożkowe pierścienie emisyjne, które są widoczne poza żarnikiem. W przypadku laserów o energiach, które są kilkakrotnie większe niż próg filamentacji, obserwuje się wiele włókien. Są one widoczne jako wiele jasnych punktów w stożkowym wzorcu emisji i mogą być wyeliminowane przez tłumienie przed tęczówką.

2. Zdalne skanowanie powierzchni docelowej

1. Umieść na stole dwuosiowy, zmotoryzowany stolik translacyjny, który może przesuwać próbkę w kierunku poprzecznym do rozchodzenia się wiązki laserowej. Upewnij się, że wiązka laserowa pada na środek stolika. Przykręć stolik do stołu za pomocą. Do celów laboratoryjnych na ogół łatwiej jest utrzymać wiązkę laserową nieruchomą w przestrzeni podczas skanowania celu pod wiązką.
2. Umieść piasek w pojemniku (5 mm x 25,4 mm x 25,4 mm). Grubość piasku wynosi około 2 mm.
   1. Połóż metale (miedź, stal nierdzewna, aluminium) na wierzchu piasku (Rysunek 3a). Przykryj metale kolejną 2 mm warstwą piasku (Rysunek 3b).
   2. Przy wyłączonym laserze umieść pojemnik na środku etapu tłumaczenia. Upewnij się, że środek pojemnika znajduje się w miejscu, w którym obserwuje się filamentację w kroku 1.1-1.5.
3. Skonfiguruj komputerowe sterowanie laserem tak, aby oddało pojedynczy strzał, gdy zostanie wydane polecenie elektroniczne. Napisz LabVIEW lub podobny język komputerowy, aby wykonać kontrolę. W przypadku zautomatyzowanych impulsów jednostrzałowych wymagany jest zewnętrzny spust.
   1. Podłącz impuls wyzwalający TTL do portu zewnętrznego wyzwalacza z tyłu modułu sterującego lasera za pomocą BNC. Włącz opcję wyzwalacza zewnętrznego w module sterującym laserem. Impuls TTL uruchomi teraz laser i odda pojedynczy strzał.
4. Skonfiguruj odpowiednią aparaturę czujnika. Ustaw wejście spektrometru wskazujące punkt uderzenia.
   1. Użyj soczewki, aby połączyć światło z punktu uderzenia filamentu ze spektrometrem. Upewnij się, że odległość między obiektywem a żarówką jest zbliżona do ogniskowej.
   2. Podłącz spektrometr do komputera za pomocą USB. Użyj oprogramowania do monitorowania widma. Otwórz oprogramowanie i spektrum, a następnie kliknij przycisk Uruchom.
   3. Użyj myszy, aby powiększyć zakres zarejestrowany w eksperymencie. Zoptymalizuj pozycję spektrometru po zobaczeniu sygnału na ekranie.
   4. Do pomiarów obrazowych należy wymienić spektrometr na fotopowielacz lub kamerę CCD.
5. Napisz program w LabVIEW lub podobnym języku komputerowym, aby wykonać pętlę w następujących krokach: Wystrzel pojedynczy strzał z lasera; zbierz i zapisz wynikowe dane; przesuń etap translacji do następnego punktu współrzędnych.

Wyniki

Rozdzielczość skanowanych obrazów jest ograniczona optycznie tylko o ~100 μm. W związku z tym ruch etapu translacji powinien być tego rzędu wielkości lub mniejszy, aby uzyskać maksymalną rozdzielczość. Jednak ten poziom rozdzielczości nie jest konieczny dla wszystkich pomiarów. Protokół ten został użyty zarówno do pomiarów obrazowania¹⁴, jak i spectroscopic¹⁵. Rysunek 1 pokazuje konfigurację eksperymentalną. Impuls jest generowany w układzie wzmacniacza. Impuls ma częstotliwość 1 kHz, 50 fs i jest wyśrodkowany na 800 nm. Rysunek 2 porównuje skan małego celu z logo Texas A&M wykonany laserem na granicy dyfrakcji z skanem wykonanym za pomocą wiązki tworzącej filament. Eksperyment ten został przeprowadzony przy użyciu włókien w ciekłej wodzie, ale wyniki mogą być przeskalowane dla powietrza w teledetekcji¹³. Rysunek 3 pokazuje przestrzennie rozdzielczo rozdzielone spektroskopiowe spektroskopii rozpadu filamentu metalowych obiektów o różnym składzie, zakopanych około dwóch milimetrów pod warstwą piasku. Kształty i kompozycje metalowych przedmiotów są oczywiste. Ogólnie rzecz biorąc, filamentacja zapewnia szereg mechanizmów dla efektów docelowych. Początkowy impuls może dostarczyć informacji o warstwie powierzchniowej, podczas gdy kolejne impulsy mogą dostarczyć informacji o głębszych częściach materiału poprzez ablację lub mechaniczne usunięcie warstw powierzchniowych.

Rysunek 1. Konfiguracja eksperymentalna. Laser ma częstotliwość 1 kHz, 50 fs i jest wyśrodkowany na 800 nm. Jest ogniskowany za pomocą soczewki, aby osiągnąć intensywność (~10¹³ W/cm²) w celu utworzenia włókien laserowych. Obiekt znajduje się pod piaskiem i zostaje poddany montażowi tłumaczeniowemu. Rozproszone światło jest zbierane za pomocą spektrometru. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2. Obrazowanie z ograniczeniem subdyfrakcji. Zdalne obrazy generowane przez skanowanie wiązki laserowej po wydrukowanym logo Texas A&M z odległości kilku metrów. a) Logo z obrazem wiązki bez włókien. b) Logo z obrazem wiązki z włókna. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3. Mapa chemiczna. Rozdzielczość spektralna i przestrzenna metalowych obiektów zakopanych pod piaskiem. a) Obiekty nad piaskiem. b) Przedmioty o grubości poniżej 2,3 ± 0,3 mm. c) Obraz ze składem materiałowym oznaczonym kolorami do cech spektralnych metalu. Złożony obraz zakopanych obiektów z aluminium (Al), miedzią (Cu) i stalą nierdzewną (SS) odpowiadającymi odpowiednio składnikom koloru czerwonego, zielonego i cyjanowego Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Dyskusja

Przedstawiona powyżej metoda jest laboratoryjnym protokołem wykorzystania światła laserowego o dużym natężeniu dostarczanego na klasycznie trudne do pokonania odległości. Spośród wielu możliwych zastosowań takiego światła – SAMOCHODY, FIBS, promieniowanie THz, fotoakustyka, superradiancja itp. – Wiele aplikacji może dostarczać punktowych informacji o właściwościach materiału powierzchniowego. Filamenty lasera femtosekundowego o wielkości plamki ograniczonej dyfrakcją subklasyczną pozwalają na wykorzystanie tych technik podczas skanowania powierzchni punkt po punkcie. Protokół ten jest idealnym poligonem doświadczalnym dla rozwoju takich technik.

Najważniejszym aspektem protokołu jest wygenerowanie filamentacji laserowej. Aby wygenerować stabilne włóknienie lasera, krytyczna intensywność lasera wynosi kilka 10¹³ W / cm² , a intensywność zaciśnięta wynosi około 1,4 x^{10 14} W / cm² mierzona w eksperymencie¹⁶. Nie ma filamentacji laserowej, gdy intensywność jest wysoka lub niska. Jeśli intensywność jest zbyt wysoka, medium może zostać silnie zjonizowane w punkcie ogniskowym i nastąpi awaria wywołana laserem. Będzie można zaobserwować jasną iskrę zamiast filamentacji laserowej. W takim przypadku zmniejsz moc lub użyj obiektywu o dłuższej ogniskowej. I odwrotnie, jeśli moc jest niska (nie obserwuje się wytwarzania plazmy), zwiększ moc lub użyj obiektywu o krótkiej ogniskowej. Co więcej, w obu przypadkach warto dostosować ćwierkanie, aby pomóc w utworzeniu filamentacji laserowej.

Ta technika skanowania jest na ogół bardziej odpowiednia do użytku laboratoryjnego i weryfikacji koncepcji niż do stosowania w terenie, ponieważ teledetekcja w terenie na ogół nie pozwala na dokładną kontrolę badanego celu na etapie translacji. W tych scenariuszach można zastosować te same techniki laserowe opracowane w laboratorium, ale sam laser będzie musiał zostać zeskanowany za pomocą bardziej tradycyjnych metod sterowania wiązką, takich jak zmiana orientacji samego aparatu laserowego.

Protokół można stosunkowo łatwo rozszerzyć o eksperymenty z wieloma filamentami, wiązkami włókien, eksperymentami z pompą-sondą, spektroskopią dystansową, falowodem lub wieloma innymi możliwościami. W każdym przypadku jedną z głównych przeszkód eksperymentalnych jest wyrównanie przecinających się punktów ogniskowych, ale w przypadku tego protokołu wystarczy to zrobić tylko raz. Elementy optyczne są zamocowane na miejscu, a sama próbka jest jedynym obiektem wymaganym do poruszania się. Można to zrobić bardzo precyzyjnie na etapie tłumaczenia. Dalsza modyfikacja tego protokołu w celu uzyskania dalszej kontroli nad lokalizacją odległości formowania się filamentu, w tym powstawania włókien w odległości setek metrów od lasera, jest w zasadzie możliwa dzięki starannej kontroli wyjściowego impulsu laserowego. Wielowłóknienie utworzy również falowód podczas propagacji, co może pomóc w dostarczeniu światła w wolnej przestrzeni.

Teledetekcja to szeroki temat, który obejmuje takie dyscypliny jak fizyka, chemia, inżynieria, nauki o środowisku itp. W materiale uzupełniającym proponujemy dodatkowe schematy teledetekcji, w tym spektroskopię stand-off i superradiancję oprócz filamentacji.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
System lasera femtosekundowego	Coherent Co	Legend Elite System	System 1 kHz, system fs energia impulsu 4 mJ
IRIS	Thorlabs	id25	Zamontowana standardowa przysłona i Oslash; Maksymalna apertura 25,0 mm, TR3 Post
Lens	Thorlabs	LA1908-C	L=50 cm, Soczewki płasko-wypukłe (powłoka AR: 1050 - 1700 nm)
Lustra	Thorlabs	PF10-03-P01	Metaliczne lustro Plano
Fotodetektor	Hamamatsu	H12694	Chłodzony termoelektrycznie agregat NIR-PMT
Spektrometr	Ocean Optics	OCEAN_HDX_VIS_NIR	Spektrometr, wysoki zakres dynamiki, 350-950
Stolik translacyjny	Thorlabs	PT3-Z8	25 mm (0,98") Trzyosiowy zmotoryzowany stolik translacyjny, gwintowniki 1/4"-20