Фемтосекундный лазер волокна для использования в суб-Diffraction-ограниченной изображений и дистанционного зондирования
25 апреля 2019 г.
Высокой интенсивности фемтосекундных импульсов лазерного света могут пройти циклы самофокусировка Керр и расфокусировке плазмы, распространение интенсивных суб-millimeter-диаметр пучка на большие расстояния. Мы опишем технику для создания и использования этих нитей для выполнения удаленных изображений и зондирования за пределы классической дифракции линейной оптики.
Я рад представить профессора Соколова и его команду. Они первыми использовали высокоскоростные лазеры для обнаружения сибирской язвы в режиме реального времени. То есть в наносекунду, а не через несколько секунд.
Затем они начали работать над другими проблемами, о нити света, фокусировки света, и способы, с помощью которых мы можем использовать эти методы, чтобы выйти за рамки стандартных квантовых пределов. Мы описываем экспериментальный протокол использования фемтосекундных лазерных нитей для достижения суб-дифракции ограниченного разрешения на расстояниях, которые были бы неразрешимыми классически. Лазерные нити могут поддерживать высокую интенсивность и субмиллиметровый диаметр на больших расстояниях распространения.
Это позволяет проводить зондирование, сканирование, визуализацию спектроскопии с увеличенным разрешением. Лазерная нить может быть получена во многих средствах массовой информации, включая атмосферу и воду. Техника может быть адаптирована к исследованиям океанической оптики.
Это не просто для создания лазерной нити. Один полезный трюк заключается в том, чтобы настроить щебечут пульса для достижения необходимой интенсивности. Итак, сегодня мы будем видеть эксперименты по ните, фокусировке света на крошечные волокна, и это то, что, в данном контексте, помогает нам визуализировать то, что мы делаем с экспериментами, от обнаружения сибирской язвы до глядя на океанскую оптику.
Установите аппарат на оптической скамейке и следуйте мерам предосторожности для лазера класса 4. Для создания нити используйте импульсный, усиленный фемтосекундный титановый сапфировый лазер. Перейдите лазерный луч через радужную оболочку, которая слегка зажимает внешние края.
Острый градиент в пространственном профиле интенсивности, вызванный отсечением лазера, как известно, образование нити семян. Затем пройдите луч через конвергентную линзу с фокусным расстоянием более 200 сантиметров. Помощь семян самофокусировки, слегка наклоняя объектив по отношению к направлению распространения.
Упорядочить иметь соответствующую свалку пучка после геометрической направленности объектива. Чтобы наблюдать нить, управлять лазером с мгновенной выходной мощности достаточно для самофокусировки в воздухе. Ищите нить вблизи геометрической направленности объектива с помощью белой бумаги.
С бумагой в луче пути, поиск рассеянного ореола в несколько миллиметров вокруг мерцание, яркое ядро около 100 микрометров. Сделайте дальнейшие наблюдения за пределами нити. Там яркие, разноцветные, конические кольца излучения являются результатом характерного процесса самофазированной модуляции в воздухе.
Несколько ярких пятен указывают на то, что существует несколько нитей. Чтобы устранить яркие пятна, ввемите затухание в пучок перед радужной оболочкой. При надлежащем затухание, яркие пятна в конической модели выбросов устраняются.
Приготовьтесь провести тест дистанционного сканирования с помощью лазера. Закредить двухосную моторизованную стадию перевода в траектории луча так, чтобы она переводится перпендикулярно лучу. Убедитесь, что нить лазерного луча является инцидентом в центре сцены.
Затем создайте цель для сканирования с помощью системы. Получить контейнер и разместить два миллиметра песка на его дне. Положите медь, алюминий и нержавеющей стали объектов на верхней части слоя песка.
Затем положите еще один двухмиллиметровый слой песка поверх металлов. С лазером, положить контейнер в центре стадии перевода, где происходит нить. Для сбора данных подключите выход спектрометра к компьютеру.
Настройка внешнего триггера и управления компьютером для лазера, чтобы запустить один выстрел. Затем на настройку сенсорного аппарата. В этом случае, положение спектрометра, так что его вход указывает на точку воздействия нити на этапе перевода.
Используйте объектив, чтобы пару света от точки удара в спектрометр. Поместите объектив от одного до двух фокусных длин, откуда происходит нить. Запускайте лазер с помощью программного обеспечения и записывайте сигнал со спектрометра.
Это расположение меди, алюминия и нержавеющей стали скрыто под около двух миллиметров песка. Спектральные особенности погребенных металлов, измеряемые установкой, позволяют создать композитное изображение с медью в зеленом цвете, алюминием в красном и нержавеющей стали в циане. Неимперированный лазерный луч на пределе дифракции, отсканированный на небольшом, напечатанном логотипе Texas A и M, не раскрывает узнаваемый текст.
В отличие от этого, нитементированный лазерный луч, сканируемый над логотипом, генерирует изображение с заметными элементами. Импульсная энергия и интенсивность являются очень важными параметрами для генерации лазерной нити. Использование лазерной нити в дистанционной спектроскопии может увеличить соотношение сигнала к шуму в дистанционном зондировании.
Этот метод проложил путь к достижению высокого спектрального разрешения в дистанционном зондировании. Лазеры класса 4, необходимые для этой работы, опасны. Экспериментаторы должны носить средства индивидуальной защиты и следовать всем протоколам безопасности.
Обзор
В данном исследовании изучается использование высокоинтенсивных фемтосекундных лазерных импульсов для дистанционной визуализации и сенсорики за пределами классических дифракционных пределов. Метод основан на лазерной филаментации для поддержания высокой интенсивности и субмиллиметрового диаметра пучка на больших расстояниях, что позволяет повысить разрешение в различных приложениях.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Лазерная физика
- Оптическая визуализация
- Дистанционное зондирование
Теоретическая часть
- Мощные лазеры позволяют обнаруживать такие вещества, как сибирская язва, в режиме реального времени.
- Филаментация света позволяет применять методы фокусировки, которые превосходят стандартные квантовые пределы.
- Лазерные филаменты могут генерироваться в различных средах, включая воздух и воду.
- Регулировка чирпа импульса имеет решающее значение для достижения интенсивности, необходимой для филаментации.
Цель исследования
- Продемонстрировать использование фемтосекундных лазерных филаментов для получения изображений с разрешением ниже дифракционного предела.
- Изучить возможности применения в дистанционном зондировании и спектроскопии.
- Представить протокол эффективного генерирования и использования лазерных филаментов.
Используемые методы
- Настройка импульсного усиленного фемтосекундного титан-сапфирового лазера.
- Ограничение лазерного луча для инициации формирования филамента.
- Использование собирающей линзы для содействия самофокусировке.
- Проведение тестов по дистанционному сканированию с использованием скрытых металлических мишеней.
Основные результаты
- Филаментированные лазерные пучки обеспечили четкую визуализацию объектов, скрытых песком.
- В приложениях дистанционного зондирования наблюдалось повышенное спектральное разрешение.
- Надлежащая энергия и интенсивность импульса имели решающее значение для успешной филаментации.
Выводы
- Методы лазерной филаментации могут значительно расширить возможности дистанционного получения изображений.
- При работе с лазерами 4-го класса строгое соблюдение протоколов безопасности является обязательным.
- Данное исследование открывает возможности для перспективного применения в области мониторинга окружающей среды и обеспечения безопасности.
Часто задаваемые вопросы
Значимость для промышленности
Фемтосекундная лазерная филаментация позволяет осуществлять визуализацию с разрешением ниже дифракционного предела и дистанционное зондирование на расстояниях, превышающих классические пределы, обеспечивая повышенное пространственное разрешение для обнаружения скрытых или заблокированных целей. Эта возможность поддерживает валидацию целей на ранних этапах в системах безопасности и экологического мониторинга, предоставляя высокоточные спектральные данные и изображения без необходимости физического приближения. Данный метод повышает достоверность прогнозов в рабочих процессах дистанционного зондирования за счет преодоления дифракционных барьеров, ограничивающих традиционные оптические системы.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранние этапы поиска и валидация мишени
- Научная ценность: обеспечивает возможность исследования подповерхностных или скрытых образцов за счет повышенной проникающей способности и разрешения, что способствует проверке гипотез в сложных матрицах.
- Практическая ценность: облегчает бесконтактный дистанционный анализ опасных или труднодоступных образцов, снижая затраты на пробоподготовку и риски воздействия.
Скрининг и разработка методов анализа
- Научная ценность: обеспечивает спектральные характеристики высокого разрешения для идентификации материалов, что позволяет точно различать элементы в многослойных образцах.
- Практическая ценность: поддерживает масштабируемые платформы дистанционного сканирования для высокопроизводительного скрининга скрытых или встроенных объектов в контролируемых средах.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: предлагает способ переноса лабораторных методов филаментации в развертываемые в полевых условиях сенсорные системы для мониторинга в реальных условиях.
- Эксплуатационная ценность: обеспечивает преемственность от этапа обнаружения до валидации за счет поддержания стабильных характеристик визуализации и спектроскопии на разных масштабах.
Интеграция конвейера и рабочего процесса
Данный метод интегрируется в рабочие процессы исследований в качестве инструмента дистанционного зондирования, который связывает лабораторный оптический анализ с определением объектов в полевых условиях, что особенно актуально для образцов, доступ к которым ограничен или сопряжен с риском.
- Открывательная биология: способствует проверке гипотез, обеспечивая получение изображений внутренних структур в непрозрачных или многослойных матрицах с высоким разрешением без необходимости физического секционирования.
- Скрининг: повышает готовность анализов, предоставляя количественные спектральные данные с пространственным разрешением для идентификации мишеней на сложном фоне.
- Аналитика: обеспечивает точные измерения зависимых переменных (например, спектров элементного излучения), что позволяет проводить сравнение между различными условиями и обеспечивает статистическую дискриминацию.
- Трансляционные исследования: обеспечивают преемственность доклинического этапа за счет стабильности рабочих характеристик детектирования при переходе от лабораторных условий к имитации полевых условий.
- Корпоративное повторное использование: представляет собой многоразовую платформенную технологию, адаптируемую к различным средам (воздух, вода) и типам мишеней для многократного применения в целях обеспечения безопасности и в экологических приложениях.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышает достоверность прогнозирования при идентификации целей за счет разрешения объектов ниже дифракционного предела, что снижает количество ложноотрицательных результатов в обскурированных образцах.
- Операционная ценность: Повышает воспроизводимость и стандартизацию за счет контролируемой генерации филамента путем регулировки чирпа импульса и клиппирования пучка.
- Стратегическая ценность: Обеспечивает более обоснованные решения о целесообразности дальнейших действий при досмотре в целях безопасности, позволяя надежно обнаруживать опасные материалы, скрытые под интерференторами.
- Влияние на портфель: Позволяет проводить приоритизацию сенсорных технологий с учетом рисков на основе подтвержденного дистанционного разрешения и спектральной точности.
Особенности реализации
- Требуется опыт в области физики ультрабыстрых лазеров и нелинейной оптики для безопасной и эффективной генерации филаментов.
- Зависит от наличия импульсных усиленных фемтосекундных титан-сапфировых лазеров и прецизионных оптических компонентов (диафрагмы, линзы, поглотителя пучка).
- Необходима межкомандная стандартизация параметров лазера (энергия импульса, интенсивность, чирп) для обеспечения стабильной филаментации при работе разных пользователей и в разных лабораториях.
- При переходе от воздуха к воде или другим средам требуются корректировки с учетом изменения нелинейного показателя преломления и порогов самофокусировки.
- Ограничено необходимостью соблюдения протоколов безопасности для лазеров класса 4, включая использование защитного оборудования и организацию среды с контролируемым доступом.
