Name: Filamenty laserów femtosekundowych do stosowania w obrazowaniu o ograniczonej subdyfrakcji i teledetekcji (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-04-25T12:30:00.000+00:00
Duration: 6 min 16 s
Description: Poznaj technikę filamentacji laserów femtosekundowych do obrazowania o ograniczonej subdyfrakcji na duże odległości. Ta metoda umożliwia zdalne skanowanie i spektroskopię z wysoką rozdzielczością w różnych mediach.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Badania są wspierane przez Biuro Badań Marynarki Wojennej (ONR) (Nagroda N00014-16-1-2578 i N00014-16-1-3054), Fundację Roberta A. Welcha (Grant nr A-1547, Nr A-1261), Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych (Nagroda No. FA9550-18-1-0141), stypendium SMART oraz grant z Miasta Króla Abdulaziza na rzecz Nauki i Technologii (KACST).

1. Tworzenie włókna lasera femtosekundowego
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.
	<ol>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Zdalne skanowanie powierzchni docelowej
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Umieść piasek w pojemniku (5 mm x 25,4 mm x 25,4 mm). Grubość piasku wynosi około 2 mm.
	<ol>
		<li>Połóż metale (miedź, stal nierdzewna, aluminium) na wierzchu piasku (<silna klasa="xfig">Rysunek 3a). Przykryj metale kolejną 2 mm warstwą piasku (<silna klasa="xfig">Rysunek 3b).</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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.
	<ol>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Skonfiguruj odpowiednią aparaturę czujnika. Ustaw wejście spektrometru wskazujące punkt uderzenia.
	<ol>
		<li>Użyj soczewki, aby połączyć światło z punktu uderzenia filamentu ze spektrometrem. Upewnij się, że odległość między obiektywem a żarówką jest zbliżona do ogniskowej.</li>
		<li>Podłącz spektrometr do komputera za pomocą USB. Użyj oprogramowania do monitorowania widma. Otwórz oprogramowanie i spektrum, a następnie kliknij przycisk Uruchom.</li>
		<li>Użyj myszy, aby powiększyć zakres zarejestrowany w eksperymencie. Zoptymalizuj pozycję spektrometru po zobaczeniu sygnału na ekranie.</li>
		<li>Do pomiarów obrazowych należy wymienić spektrometr na fotopowielacz lub kamerę CCD.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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.</li>
</ol>

<ol><li>Kocharocsky, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gain-swept+superrandiance+applied+to+the+stand-off+detection+of+trace+impurities+in+the+atmosphere%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+of+the+United+States+of+America%22%5BJournal%5D)">Gain-swept superrandiance applied to the stand-off detection of trace impurities in the atmosphere.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 102 (22), 7806-7811 (2005).</li>
<li>Hemmer\, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Standoff+spectroscopy+via+remote+generation+of+a+backward-propagation+laser+beam%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+of+the+United+States+of+America%22%5BJournal%5D)">Standoff spectroscopy via remote generation of a backward-propagation laser beam.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108 (8), 3130-3134 (2011).</li>
<li>Zuber, M. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Mars+Observer+laser+altimeter+investigation%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Geophysical+Research%22%5BJournal%5D)">The Mars Observer laser altimeter investigation.</a> Journal of Geophysical Research. 97, 7781(1992).</li>
<li>Mejean, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Remote+detection+and+identification+of+biological+aerosols+using+a+femtosecond+terawatt+lidar+system%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+B%3A+Lasers+and+Optics%22%5BJournal%5D)">Remote detection and identification of biological aerosols using a femtosecond terawatt lidar system.</a> Applied Physics B: Lasers and Optics. 78 (5), 535-537 (2004).</li>
<li>Boyd, R. W. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBoyd%2C+RW+%22Nonlinear+Optics%22">Nonlinear Optics</a>. , Academic Press. (2008).</li>
<li>Gattass, R. R., Mazur, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Femtosecond+laser+micromachining+in+transparent+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Photonics%22%5BJournal%5D)">Femtosecond laser micromachining in transparent materials.</a> Nature Photonics. 2, 219-225 (2008).</li>
<li>Tognoni, E., Palleschi, V., Corsi, M., Christoforetti, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantitative+micro-analysis+by+laser-induced+breakdown+spectroscopy%3A+a+review+of+the+experimental+approaches%5BTitle%5D)+AND+%22Spectrochimica+Acta+Part+B%3A+Atomic+Spectroscopy%22%5BJournal%5D)">Quantitative micro-analysis by laser-induced breakdown spectroscopy: a review of the experimental approaches.</a> Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy. 57 (7), 1115-1130 (2002).</li>
<li>Beadie, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Toward+a+FAST+CARS+anthrax+detector%3A+coherence+preparation+using+simultaneous+femtosecond+laser+pulses%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Communications%22%5BJournal%5D)">Toward a FAST CARS anthrax detector: coherence preparation using simultaneous femtosecond laser pulses.</a> Optics Communications. 244, 423-430 (2005).</li>
<li>Scully, M. O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((FAST+CARS%3A+Engineering+of+a+laser+spectroscopic+technique+for+rapid+identification+of+bacterial+spores%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+of+the+United+States+of+America%22%5BJournal%5D)">FAST CARS: Engineering of a laser spectroscopic technique for rapid identification of bacterial spores.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 99 (17), 10994-11001 (2002).</li>
<li>Pestov, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optimizing+the+laser-pulse+configuration+for+coherent+Raman+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Optimizing the laser-pulse configuration for coherent Raman spectroscopy.</a> Science. 316 (5822), 265-268 (2007).</li>
<li>Braun, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Self-channeling+of+high-peak-power+femtosecond+laser+pulses+in+air%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Self-channeling of high-peak-power femtosecond laser pulses in air.</a> Optics Letters. 20 (1), 73-75 (1995).</li>
<li>Couairon, A., Mysyrowicz, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Femtosecond+filamentation+in+transparent+media%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+Reports%22%5BJournal%5D)">Femtosecond filamentation in transparent media.</a> Physics Reports. 441, 47-189 (2007).</li>
<li>Wang, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Remote+sub-diffraction+imaging+with+femtosecond+laser+filaments%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Remote sub-diffraction imaging with femtosecond laser filaments.</a> Optics Letters. 37 (8), 1343-1345 (2012).</li>
<li>Strycker, B. D., Wang, K., Springer, M. D., Sokolov, A. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chemical-specific+imaging+of+shallowly+buried+objects+using+femtosecond+laser+pulses%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Optics%22%5BJournal%5D)">Chemical-specific imaging of shallowly buried objects using femtosecond laser pulses.</a> Applied Optics. 52 (20), 4792-4796 (2013).</li>
<li>Heck, G., Sloss, J., Levis, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Adaptive+control+of+the+spatial+position+of+white+light+filaments+in+an+aqueous+solution%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Communications%22%5BJournal%5D)">Adaptive control of the spatial position of white light filaments in an aqueous solution.</a> Optics Communications. 259 (1), 216-222 (2006).</li>
<li>Li, H. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Critical+power+and+clamping+intensity+inside+a+filament+in+a+flame%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Critical power and clamping intensity inside a filament in a flame.</a> Optics Express. 24 (4), 3424(2016).</li>
</ol>

Nie stwierdzono konfliktu interesów.

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 x10 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.

Spójność przestrzenna i odpowiadający jej mały kąt rozbieżności wiązek laserowych doprowadziły do licznych zastosowań w teledetekcji, w tym do chemicznie czułych pomiarów atmosfery1,2, 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 Ramana8,9,10 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.

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

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

Femtosecond Laser Filaments for Use in Sub-Diffraction-Limited Imaging and Remote Sensing

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.

Rozdzielczość zeskanowanych obrazów jest ograniczona optycznie jedynie do poziomu ~100 µm. W związku z tym, dla uzyskania maksymalnej rozdzielczości, ruch stopnia translacyjnego powinien być rzędu tej wartości lub mniejszy. Jednakże, taki poziom rozdzielczości nie jest konieczny dla wszystkich pomiarów. Niniejszy protokół był stosowany zarówno w pomiarach obrazowania14, jak i spektroskopowych15. Rycina 1 przedstawia układ eksperymentalny. Impuls jest generowany w systemie wzmacniacza. Impuls ma częstotliwość 1 kHz, czas trwania 50 fs i jest centrowany na 800 nm. Rycina 2 porównuje skan małego celu z logo Texas A&amp;M wykonany laserem w granicy dyfrakcji ze skanem wykonanym wiązką tworzącą filament. Eksperyment ten przeprowadzono przy użyciu filamentów w ciekłej wodzie, jednak wyniki można przeskalować dla powietrza w teledetekcji13. Rycina 3 przedstawia skany spektroskopii przełomu indukowanego filamentem z rozdzielczością przestrzenną obiektów metalowych o różnym składzie, zakopanych około dwóch milimetrów pod warstwą piasku. Kształty i skład obiektów metalowych są wyraźnie widoczne. W ogólnym ujęciu filamentacja zapewnia szereg mechanizmów oddziaływania na cel. Pierwszy 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.
<img alt="Schemat układu filamentacji laserowej; 800 nm, 50 fs, 1 kHz; spektrometr; analiza wzbudzenia optycznego." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58207/58207fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rysunek 1. Układ doświadczalny. Laser pracuje z częstotliwością 1 kHz, impulsem 50 fs i centralną długością fali 800 nm. Wiązka jest ogniskowana za pomocą soczewki w celu osiągnięcia intensywności (~1013 W/cm2) niezbędnej do tworzenia filamentów laserowych. Obiekt znajduje się pod piaskiem i jest umieszczony na stole translacyjnym. Rozproszone światło jest zbierane za pomocą spektrometru. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58207/58207fig1large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Kodowana kolorystycznie mapa ciepła przedstawiająca analizę danych widmowych, rozkład, pozycje w mm." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58207/58207fig2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 2"> 
Rysunek 2. Obrazowanie poniżej limitu dyfrakcyjnego. Obrazy zdalne wygenerowane poprzez skanowanie wiązki lasera po wydrukowanym logo Texas A&amp;M z odległości kilku metrów. a) Logo obrazowane za pomocą wiązki niefilamentowanej. b) Logo obrazowane za pomocą wiązki filamentowanej. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58207/58207fig2large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Rozkład materiałów w próbce: Cu, SS, Al; nałożenie obrazów; detekcja pierwiastków poprzez analizę mikroskopową." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58207/58207fig3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 3"> 
Rysunek 3. Mapa chemiczna. Obraz obiektów metalowych zakopanych w piasku z rozdzielczością spektralną i przestrzenną. a) Obiekty nad piaskiem. b) Obiekty pod warstwą piasku o grubości 2,3 ± 0,3 mm. c) Obraz z kompozycją materiałową zakodowaną kolorami zgodnie z cechami spektralnymi metali. Obraz kompozytowy zakopanych obiektów, w którym aluminium (Al), miedź (Cu) i stal nierdzewna (SS) odpowiadają odpowiednio czerwonej, zielonej i cyjanowej składowej koloru. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58207/58207fig3large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>

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.

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

Probing remote matter with laser light is a ubiquitous technique used in circumstances as diverse as laser-induced breakdown spectroscopy and barcode ...

Miło mi przedstawić profesora Sokołowa i jego zespół. Jako pierwsi wykorzystali lasery o dużej mocy do wykrywania wąglika w czasie rzeczywistym. To znaczy w nanosekundzie, a nie w kilka sekund.Następnie przeszli do pracy nad innymi problemami dotyczącymi filamentacji światła, skupiania światła i sposobów, w jakie możemy wykorzystać te techniki, aby wyjść poza standardowe limity kwantowe. Opisujemy eksperymentalny protokół wykorzystania włókien lasera femtosekundowego w celu osiągnięcia ograniczonej rozdzielczości subdyfrakcyjnej na odległościach, które byłyby klasycznie nieosiągalne. Włókna laserowe mogą utrzymywać wysoką intensywność i średnicę poniżej milimetra na długich odległościach propagacji.Umożliwia to wykrywanie, skanowanie, spektroskopię obrazową ze zwiększoną rozdzielczością. Filamentacja laserowa może być generowana w wielu mediach, w tym w atmosferze i wodzie. Technika ta może być zaadaptowana do badań optycznych oceanów.Nie jest łatwo wygenerować filamentację laserową. Jedną z przydatnych sztuczek jest dostosowanie ćwierkania impulsu, aby osiągnąć wymaganą intensywność. Dzisiaj będziemy obserwować eksperymenty z filamentacją, skupianiem światła w maleńkich włóknach, i to jest coś, co w obecnym kontekście pomaga nam zwizualizować to, co robimy z eksperymentami, od wykrywania wąglika po przyglądanie się optyce oceanicznej.Ustaw urządzenie na stole optycznym i postępuj zgodnie ze środkami ostrożności dotyczącymi lasera klasy 4. Aby stworzyć żarnik, użyj pulsacyjnego, wzmocnionego femtosekundowego lasera szafirowego tytanowego. Przepuść wiązkę lasera przez tęczówkę, która lekko przycina zewnętrzne krawędzie.Wiadomo, że ostry gradient w profilu intensywności przestrzennej spowodowany przycinaniem lasera powoduje tworzenie się włókien zalążkowych. Następnie przepuść wiązkę przez zbieżny obiektyw o ogniskowej większej niż 200 centymetrów. Pomóż w samodzielnym ustawianiu ostrości, lekko przechylając obiektyw w stosunku do kierunku propagacji.Ustaw odpowiedni zrzut wiązki po geometrycznym ognisku soczewki. Aby obserwować żarnik, uruchom laser z chwilową mocą wyjściową wystarczającą do samodzielnego ustawiania ostrości w powietrzu. Poszukaj filamentacji w pobliżu geometrycznej ostrości soczewki za pomocą białego papieru.Trzymając papier na ścieżce wiązki, poszukaj rozproszonego halo o rozmiarach kilku milimetrów otaczającego migoczące, jasne jądro o średnicy około 100 mikrometrów. Dokonaj dalszych obserwacji poza żarnikiem. Tam jasne, wielobarwne, stożkowe pierścienie emisyjne są wynikiem charakterystycznego procesu samofazowej modulacji w powietrzu.Wiele jasnych punktów wskazuje, że istnieje wiele włókien. Aby wyeliminować jasne punkty, wprowadź tłumienie w wiązce przed tęczówką. Przy odpowiednim tłumieniu jasne punkty w stożkowym wzorze emisji są eliminowane.Przygotuj się do przeprowadzenia testu zdalnego skanowania za pomocą lasera. Zabezpiecz dwuosiowy zmotoryzowany stolik translacyjny na ścieżce wiązki tak, aby przesuwał się prostopadle do wiązki. Upewnij się, że żarnik wiązki laserowej pada na środek stage.Następnie utwórz cel do skanowania za pomocą systemu. Zdobądź pojemnik i umieść dwa milimetry piasku na jego dnie. Połóż przedmioty z miedzi, aluminium i stali nierdzewnej na warstwie piasku.Następnie połóż kolejną dwumilimetrową warstwę piasku na wierzchu metali. Przy wyłączonym laserze umieść pojemnik na środku etapu translacji, w którym zachodzi filamentacja. W celu zebrania danych należy podłączyć wyjście spektrometru do komputera.Skonfiguruj zewnętrzny spust i sterowanie komputerowe, aby laser oddał pojedynczy strzał. Następnie skonfiguruj aparaturę czujnika. W takim przypadku należy ustawić spektrometr tak, aby jego wejście znajdowało się w punkcie uderzenia filamentacji na etapie translacji.Użyj soczewki, aby połączyć światło z punktu uderzenia ze spektrometrem. Umieść obiektyw od jednej do dwóch ogniskowych od miejsca, w którym następuje filamentacja. Uruchom laser za pomocą oprogramowania i zarejestruj sygnał ze spektrometru.Ten układ miedzi, aluminium i stali nierdzewnej jest ukryty pod około dwoma milimetrami piasku. Cechy spektralne zakopanych metali, mierzone za pomocą układu, pozwalają na stworzenie złożonego obrazu z miedzią w kolorze zielonym, aluminium w kolorze czerwonym i stalą nierdzewną w kolorze turkusowym. Niewłókniona wiązka laserowa na granicy dyfrakcji zeskanowana nad małym, wydrukowanym logo Texas A&M nie ujawnia rozpoznawalnego tekstu.Z kolei wiązka lasera z włóknami zeskanowana nad logo generuje obraz z dostrzegalnymi elementami. Energia i intensywność impulsu są bardzo ważnymi parametrami dla generowania filamentacji laserowej. Zastosowanie filamentacji laserowej w spektroskopii zdalnej może zwiększyć stosunek sygnału do szumu w teledetekcji.Technika ta utorowała drogę do osiągnięcia wysokiej rozdzielczości spektralnej w teledetekcji. Lasery klasy 4 niezbędne do tej pracy są niebezpieczne. Eksperymentatorzy powinni nosić środki ochrony osobistej i przestrzegać wszystkich protokołów bezpieczeństwa.

femtosecond-laser-filaments-for-use-sub-diffraction-limited-imaging

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Bezpośredni zapis laserem femtosekundowym jest często wykorzystywany do tworzenia trójwymiarowych (3D) wzorów w polimerach i szkle. Jednakże formowanie metali w 3D wciąż stanowi wyzwanie. Opisujemy metodę wytwarzania nanostruktur srebrnych osadzonych w matrycy polimerowej przy użyciu lasera femtosekundowego o długości fali 800 nm.

Metoda wytwarzania rozłącznych nanostruktur srebrowych w 3D

Pojedyncze fluorofory mogą być lokalizowane z nanometrową precyzją za pomocą FIONA. W tym miejscu przedstawiono podsumowanie techniki FIONA oraz opisano sposób przeprowadzania eksperymentów FIONA.

Obrazowanie fluorescencyjne z dokładnością jednego nanometra (FIONA)

Prezentujemy protokół tworzenia w czasie rzeczywistym filmu pakietu molekularnej fali rotacyjnej przy użyciu wysokorozdzielczego zestawu do obrazowania eksplozji kulombowskiej.

Bezpośrednie obrazowanie ultraszybkiej rotacji molekularnej sterowanej laserem

Przedstawiamy protokół wytwarzania wnęk kryształów fotonicznych 1D na włóknach krzemionkowych o średnicy podfalowej (nanowłókna optyczne) za pomocą ablacji indukowanej laserem femtosekundowym.

Wytwarzanie 1-D fotonicznej wnęki kryształu na nanowłóknie za pomocą ablacji indukowanej laserem femtosekundowym

W sercu, zdarzenia molekularne koordynują funkcję elektryczną i kurczliwą narządu. Zaprezentowany tu zestaw technik mikroskopii fluorescencyjnej pola lokalnego umożliwia rejestrację zmiennych komórkowych w nienaruszonych sercach. Identyfikacja mechanizmów definiujących czynność serca ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia, jak serce działa w sytuacjach patologicznych.

Mikroskopia fluorescencyjna w polu lokalnym: obrazowanie sygnałów komórkowych w nienaruszonych sercach

Opisujemy eksperyment mający na celu zbadanie uszkodzeń elektronowych indukowanych w nanokryształach buckminsterfullerenu (C60) przez intensywne, femtosekundowe impulsy promieniowania rentgenowskiego. Eksperyment wykazał, że dynamika elektronów indukowana promieniowaniem rentgenowskim w C60 nie jest stochastyczna, ale silnie skorelowana, rozciągając się na setki komórek elementarnych w obrębie kryształów1.

Pomiary korelacji elektronowych dalekiego zasięgu podczas eksperymentów dyfrakcji femtosekundowej wykonywanych na nanokryształach buckminsterfullerenu

Ten protokół opisuje kluczowe kroki do przeprowadzania i analizowania eksperymentów z pompą-sondą, łącząc femtosekundowy laser optyczny z laserem na swobodnych elektronach, w celu zbadania ultraszybkich reakcji fotochemicznych w cząsteczkach fazy gazowej.

Eksperymentalny protokół dla femtosekundowego NIR/UV - Eksperymenty z pompą i sondą XUV z laserami na swobodnych elektronach

Ściśle skoncentrowany laser femtosekundowy może dostarczać precyzyjną stymulację komórkom poprzez połączenie z mikroskopią konfokalną, umożliwiając obserwację w czasie rzeczywistym i fotostymulację. Fotostymulacja może aktywować zdarzenia molekularne komórki, w tym szlak sygnałowy ERK i mitochondrialne błyski reaktywnych form tlenu.

Fotostymulacja laserem femtosekundowym aktywuje sygnalizację kinazy regulowanej sygnałem zewnątrzkomórkowym (ERK) lub zdarzenia mitochondrialne w komórkach docelowych

Przedstawiono metodę budowy niestandardowego, taniego, zsynchronizowanego w trybie femtosekundowego lasera światłowodowego do potencjalnych zastosowań w mikroskopii wielofotonowej, endoskopii i fotomedycynie. Ten laser jest zbudowany przy użyciu dostępnych na rynku części i podstawowych technik łączenia.

Tania, niestandardowa produkcja i działanie lasera femtosekundowego o całkowicie normalnej dyspersji do mikroskopii wielofotonowej

Ten artykuł przedstawia integrację modułu spektralnego ogniskowania i lasera impulsowego o podwójnym wyjściu, umożliwiającego szybkie obrazowanie hiperspektralne nanocząsteczek złota i komórek rakowych. Praca ta ma na celu zademonstrowanie szczegółów multimodalnych nieliniowych technik optycznych na standardowym laserowym mikroskopie skaningowym.

Obrazowanie biomolekularne wychwytu komórkowego nanocząstek przy użyciu multimodalnej nieliniowej mikroskopii optycznej

Poznaj technikę filamentacji laserów femtosekundowych do obrazowania o ograniczonej subdyfrakcji na duże odległości. Ta metoda umożliwia zdalne skanowanie i spektroskopię z wysoką rozdzielczością w różnych mediach.

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

Przeglądaj więcej filmów