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

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.