Summary
लेजर प्रकाश की उच्च तीव्रता femtosecond दालों Kerr आत्म केंद्रित है और प्लाज्मा defocusing, लंबी दूरी पर एक तीव्र उप मिलीमीटर व्यास बीम के प्रचार के चक्र से गुजरना कर सकते हैं । हम एक तकनीक का वर्णन करने के लिए उत्पादन और इन तंतु का उपयोग करने के लिए दूरदराज के इमेजिंग और संवेदन रैखिक प्रकाशिकी शास्त्रीय विवर्तन सीमा से परे है ।
Abstract
लेजर प्रकाश के साथ दूरदराज के मामले की जांच कर रहा है एक सर्वव्यापी तकनीक के रूप में लेजर प्रेरित ब्रेकडाउन स्पेक्ट्रोस्कोपी और बारकोड स्कैनर के रूप में विविध परिस्थितियों में इस्तेमाल किया । शास्त्रीय प्रकाशिकी में, तीव्रता कि एक दूरदराज के लक्ष्य पर सहन करने के लिए लाया जा सकता है लक्ष्य की दूरी पर लेजर की जगह आकार द्वारा सीमित है । इस स्थान का आकार शास्त्रीय प्रकाशिकी की विवर्तन सीमा द्वारा निर्धारित किया गया है । तथापि, फेमटोसेकंड लेजर दलहन, परिवेशी वायु के अपवर्तनांक को संशोधित करने और स्वयं को केन्द्रित करने के लिए पर्याप्त तीव्रता उत्पन्न करता है । इस आत्म ध्यान केंद्रित प्रभाव अत्यधिक तीव्र लेजर तंतु जो अच्छी तरह से शास्त्रीय rayleigh लंबाई से परे दूरी पर उनकी तीव्रता और छोटे उप मिलीमीटर व्यास आकार को बनाए रखने की पीढ़ी की ओर जाता है । इस तरह की तीव्रता बढ़ाया स्थानिक संकल्प के साथ रिमोट स्कैनिंग, इमेजिंग, संवेदन, और स्पेक्ट्रोस्कोपी की क्षमता प्रदान करता है । हम एक femtosecond पुनर्योजी chirped-पल्स एंपलीफायर के साथ तंतु पैदा करने के लिए एक तकनीक का वर्णन है, और जिसके परिणामस्वरूप फिलामेंट का उपयोग करने के लिए इमेजिंग और स्पेक्ट्रोस्कोपिक माप के दूरस्थ दूरी पर कम से कई मीटर के आचरण ।
Introduction
स्थानिक जुटना और इसी लेजर बीम के छोटे विचलन कोण सुदूर संवेदन में कई अनुप्रयोगों के लिए नेतृत्व किया है, रासायनिक-वातावरण1,2, रेंज के संवेदनशील माप सहित3ढूंढना, और रिमोट स्पेक्ट्रोस्कोपी4. एक ही जुटना गुण बहुत तंग लेजर प्रकाश की अनुमति है कि वर्ग सेंटीमीटर प्रति वाट के अरबों की निरंतर ध्यान केंद्रित तीव्रता देने और कुछ की अवधि में 10 वर्ग सेंटीमीटर प्रति13 वाट की तीव्रता स्पंदित कर सकते हैं femtoseconds. इस तरह के चरम तीव्रता5बात की अरैखिक ऑप्टिकल गुणों की जांच सहित कई अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी होते हैं, परिशुद्धता ऑप्टिकल माइक्रोमाटनिंग6, सामग्री लेजर प्रेरित टूटने के माध्यम से लक्षण वर्णन स्पेक्ट्रोस्कोपी7, प्रेरित रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी8,9,10, और ट्रेस रासायनिक पहचान11.
हालांकि, गाऊसी बीम की शारीरिक सीमाएं एक साथ चरम तीव्रता और छोटे विचलन कोण के इन गुणों को लागू करने की क्षमता पर सीमा निर्धारित करते हैं । एक छोटे से स्थान के आकार के लिए ध्यान केंद्रित एक लेजर बीम जरूरी एक बड़ा कोण के साथ हट जाएगा । प्रतिष्ठित रूप से, बीम अपसरण कोण द्वारा दिया जाता है, जहाँ λ तरंगदैर्घ्य है और ॅ0 किरण कमर की त्रिज्या है । के बाद से विचलन कोण लेजर बीम के व्यास और ध्यान केंद्रित लेंस के फोकल लंबाई एफ द्वारा निर्धारित है, और तंग ध्यान केंद्रित कर एफ के रूप में कई मीटर की दूरी पर संभव नहीं है डीकी तुलना में बड़ा हो जाता है ।
प्रवर्धित फेटोसेकंड दालों के क्षेत्र में कामगारों ने देखा कि उच्च तीव्रता वाली फेंटोसेकंड दालों के लिए तीव्रता बनाम सीमा पर इस सीमा का उल्लंघन किया गया था, जिसमें से बड़ी दूरी पर लक्ष्य पर दिखाई देने वाली विवर्तन सीमा से छोटे जलने के निशान थे । लेजर उद्भव12. यह Kerr-प्रभाव स्व-केंद्रित होने के कारण पाया गया था । हवा के अपवर्तक सूचकांक लेजर क्षेत्र की तीव्रता के अनुपात में संशोधित किया है, और जब लेजर एक गाउसीय तीव्रता प्रोफ़ाइल है, जिसके परिणामस्वरूप अपवर्तनांक तीव्रता प्रोफ़ाइल कार्यात्मक एक लेंस5हो जाता है । बीम आत्म केंद्रित के रूप में यह प्रचारित करता है, कम १०० μm त्रिज्या जिसका छोटे आकार शास्त्रीय विवर्तन के बीच एक गतिशील संतुलन, Kerr स्वयं केंद्रित है, और प्लाज्मा उत्पादन13के कारण defocusing द्वारा बनाए रखा है की एक संकीर्ण और तीव्र फिलामेंट में जिसके परिणामस्वरूप ।
Femtosecond लेजर तंतु के साथ, 1013 W/सेमी2 के आदेश पर तीव्रता व्यावसायिक रूप से उपलब्ध femtosecond chirped-पल्स एम्पलीफायरों के साथ कई मीटर की दूरी पर लक्ष्य के लिए दिया जा सकता है. इस प्रकार, कई प्रयोगों जो पहले तंग ध्यान केंद्रित शर्तों और लक्ष्य बहुत उच्च संख्यात्मक एपर्चर के एक लेंस के करीब अब रिमोट सेंसिंग अनुप्रयोगों के अधिक विशिष्ट दूरी पर किया जा सकता है की आवश्यकता है । हालांकि, इस सीमा से बहुत अधिक तीव्रताएं filamentation के साथ आसानी से संभव नहीं हैं, के रूप में बीम कई filamentation में टूट जाता है, जहां प्रत्येक व्यक्ति फिलामेंट आत्म के लिए महत्वपूर्ण शक्ति के पास है13ध्यान केंद्रित ।
कई आवेदन संभव हैं । हम एक मुख्यतः इमेजिंग और स्पेक्ट्रोस्कोपी दूरदराज के लक्ष्यों को लक्षित सतह पर एक femtosecond लेजर फिलामेंट स्कैन का उपयोग करने के लिए लागू एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत करते हैं । प्रयोगात्मक सेटअप चित्रा 1में दिखाया गया है.
Protocol
1. फेटोसेकंड लेजर फिलामेंट का निर्माण
- के रूप में femtosecond तंतु एक वर्ग 4 लेजर के उत्पादन की आवश्यकता होती है, पहनने के उपयुक्त नेत्र विशेष लेजर प्रणाली के उपयोग में के लिए रेटेड संरक्षण और एक उचित बीम डंप के साथ एक स्पष्ट और अच्छी तरह से परिभाषित बीम लाइन की स्थापना । सभी मानक लेजर सुरक्षा प्रक्रियाओं का पालन करें ।
- एक स्पंदित, femtosecond लेजर जिसका तात्कालिक उत्पादन शक्ति से अधिक है या स्वयं के लिए महत्वपूर्ण शक्ति के बराबर-हवा में ध्यान केंद्रित के उत्पादन के साथ शुरू, एक तिवारी के लिए ३.२ GW के बारे में: नीलमणि लेजर ८०० एनएम तरंगदैर्ध्य । निर्माता के प्रोटोकॉल का उपयोग कर एक वाणिज्यिक femtosecond लेजर एम्पलीफायर प्रणाली में प्रवर्धित पल्स उत्पन्न. अभ्यास में, एक लगभग ३५ एफएस पल्स के लिए के बारे में 1 mJ के पल्स ऊर्जा पर्याप्त है । अच्छे परिणाम 2-4 mJ की नाड़ी ऊर्जा के साथ प्राप्त कर रहे हैं ।
- एक आईरिस के माध्यम से लेजर बीम पास कि थोड़ा बाहरी किनारों क्लिप । यह फिलामेंट निर्माण को बढ़ावा देने के लिए मनाया जाता है, क्योंकि फिलामेंट गठन लेजर की स्थानिक तीव्रता प्रोफ़ाइल में तेज ढ़ाल और असमांगता द्वारा वरीयता प्राप्त किया जा करने के लिए जाना जाता है ।
- Converging लेंस है कि लगभग २०० सेमी या अधिक की एक फोकल लंबाई है के माध्यम से बीम पास, ताकि ज्यामितीय ध्यान केंद्रित इतना महान नहीं है कि आत्म केंद्रित ऑप्टिकल टूटने या विवर्तन से अभिभूत है । थोड़ा संचरण की दिशा के संबंध में लेंस झुकाव के बाद से, अतिरिक्त विषमदैशिकता बीज आत्म ध्यान केंद्रित प्रक्रिया में मदद करने के लिए जाना जाता है ।
- लेंस के ज्यामितीय फोकस के निकट किसी स्थान पर तंतु का प्रेक्षण कीजिए । एक फैलाना (कई मिमी आकार) एक उज्ज्वल आसपास के हेलो (लगभग १००-μm आकार) कोर द्वारा filamentation का निदान । एक श्वेत पत्र पर प्रभामंडल देखा जा सकता है और चमकीले कोर आमतौर पर झिलमिला करते हैं ।
- इसके अतिरिक्त, हवा में एक विशेषता आत्म-चरण मॉडुलन प्रक्रिया का पालन करें, जो रेशा से परे दिखाई दे रहे हैं उज्ज्वल, बहु रंग का शंक्वाकार उत्सर्जन के छल्ले का उत्पादन । ऊर्जा के साथ लेसरों के लिए जो कई बार filamentation के लिए दहलीज हैं, कई filamentation मनाया जाता है । ये शंक्वाकार उत्सर्जन पैटर्न में कई चमकीले धब्बों के रूप में दिखाई देते हैं, और परितारिका से पहले क्षीणन द्वारा समाप्त किए जा सकते हैं ।
2. लक्ष्य सतह के दूरस्थ स्कैनिंग
- मेज पर लेजर बीम के प्रचार के लिए अनुप्रस्थ दिशा में नमूना ले जाने में सक्षम एक दो अक्ष motorized अनुवाद चरण रखो । सुनिश्चित करें कि लेजर बीम मंच के केंद्र पर घटना है । शिकंजा के साथ मेज पर मंच बोल्ट । प्रयोगशाला प्रयोजनों के लिए, यह आम तौर पर बीम के तहत लक्ष्य को स्कैन करते हुए अंतरिक्ष में तय लेजर बीम रखने के लिए आसान है ।
- एक कंटेनर में जगह रेत (5 मिमी x २५.४ मिमी x २५.४ मिमी) । रेत की मोटाई 2 मिमी के आसपास है ।
- रेत के शीर्ष पर धातुओं (तांबा, स्टेनलेस स्टील, एल्यूमीनियम) रखो (चित्र 3a) । धातुओं को एक और 2 मिमी की रेत की परत से ढक दें (चित्र 3बी) ।
- लेजर के साथ, कंटेनर अनुवाद चरण के केंद्र में डाल दिया । सुनिश्चित करें कि संग्राहक का केंद्र स्थान पर है जहां filamentation चरण 1.1-1.5 के लिए स्वीकार्य है ।
- एक ही शॉट आग जब इलेक्ट्रॉनिक आज्ञा के लिए लेजर कंप्यूटर नियंत्रण स्थापित करें । नियंत्रण करने के लिए एक लेव्यू या एक समान कंप्यूटर भाषा लिखें । स्वचालित एकल शॉट दालों के लिए, एक बाहरी ट्रिगर की आवश्यकता है ।
- एक ट्रिगर TTL पल्स एक BNC केबल के साथ लेज़र नियंत्रण मॉड्यूल के पीछे बाहरी ट्रिगर पोर्ट से कनेक्ट करें । लेजर नियंत्रण मॉड्यूल पर बाहरी ट्रिगर विकल्प को सक्षम करें. टीटीएल पल्स अब लेजर को एक ही शॉट में आग लगाने के लिए ट्रिगर करेगी ।
- उपयुक्त सेंसर उपकरण सेट करें । स्पेक्ट्रोमीटर के प्रवेश द्वार को प्रभावित बिंदु की ओर इशारा करते हुए सेट करें ।
- एक लेंस का उपयोग करने के लिए filamentation प्रभाव बिंदु से एक स्पेक्ट्रोमीटर में प्रकाश जोड़ा । यह सुनिश्चित कर लें कि लेंस और फिलामेंटेशन के बीच की दूरी फोकल लेंथ के बारे में है ।
- यूएसबी केबल का उपयोग कर कंप्यूटर के साथ स्पेक्ट्रोमीटर कनेक्ट. स्पेक्ट्रम की निगरानी के लिए सॉफ्टवेयर का उपयोग करें । सॉफ़्टवेयर और स्पेक्ट्रम खोलें, और उसके बाद चलाएँ बटन क्लिक करें ।
- प्रयोग में दर्ज की गई श्रेणी में ज़ूम करने के लिए माउस का उपयोग करें । स्क्रीन पर संकेत देखने के बाद स्पेक्ट्रोमीटर की स्थिति का अनुकूलन.
- इमेजिंग माप के लिए, एक photomultiplier ट्यूब या एक सीसीडी कैमरा के साथ स्पेक्ट्रोमीटर की जगह.
- नीचे दिए गए चरणों पर एक लूप करने के लिए LabVIEW या एक समान कंप्यूटर भाषा में एक प्रोग्राम लिखें: लेजर से एक शॉट आग; इकट्ठा करने और परिणामी डेटा को बचाने; अनुवाद चरण को अगले समंवय बिंदु पर ले जाएं ।
Representative Results
स्कैन किए गए चित्रों का संकल्प ऑप्टिकली केवल ~ १०० μm तक सीमित है । इसलिए, अनुवाद चरण प्रस्ताव परिमाण या अधिकतम संकल्प के लिए छोटे के इस आदेश का होना चाहिए । हालांकि, संकल्प का यह स्तर सभी मापन के लिए आवश्यक नहीं है । यह प्रोटोकॉल इमेजिंग14 और स्पेक्ट्रोस्कोपी15 माप के लिए इस्तेमाल किया गया है । चित्रा 1 प्रयोगात्मक सेटअप से पता चलता है. पल्स एक एम्पलीफायर प्रणाली में उत्पन्न होता है. पल्स 1 kHz, ५० fs, और ८०० एनएम पर केंद्रित है । चित्रा 2 एक छोटे से टेक्सास एक & M लोगो एक तंतु बनाने बीम के साथ लिया स्कैन की तुलना में विवर्तन सीमा पर एक लेजर के साथ लिया लक्ष्य के स्कैन की तुलना करता है । यह प्रयोग तरल पानी में तंतु का उपयोग किया गया था, लेकिन परिणाम13सुदूर संवेदन में हवा के लिए rescaled किया जा सकता है । चित्रा 3 से पता चलता है spatially हल फिलामेंट-प्रेरित ब्रेकडाउन स्पेक्ट्रोस्कोपी विभिन्न रचना की धातु की वस्तुओं की स्कैन लगभग दो मिलीमीटर रेत की एक परत नीचे दफन. धातु की वस्तुओं की आकृतियां और रचनाएं स्पष्ट होती हैं । सामांय में, filamentation लक्ष्य प्रभाव के लिए तंत्र के एक नंबर प्रदान करता है । प्रारंभिक पल्स सतह परत के बारे में जानकारी प्रदान कर सकते हैं, जबकि बाद में दालों अपक्षरण या सतह परतों के यांत्रिक हटाने के माध्यम से सामग्री के गहरे भागों के बारे में जानकारी प्रदान कर सकते हैं ।
चित्रा 1 । प्रयोगात्मक सेटअप. लेजर 1 kHz, ५० fs, और ८०० एनएम पर केंद्रित है । यह एक लेंस के साथ ध्यान केंद्रित करने की तीव्रता तक पहुंचने (~ 1013 W/ वस्तु रेत के नीचे है और एक अनुवाद चरण पर डाल दिया । बिखरी हुई रोशनी को स्पेक्ट्रोमीटर से एकत्र किया जाता है । इस आंकड़े का बड़ा संस्करण देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें ।
चित्रा 2 । उप-विवर्तन-सीमित इमेजिंग । दूरदराज के कई मीटर की दूरी पर एक मुद्रित टेक्सास एक & M लोगो भर में एक लेजर बीम स्कैनिंग द्वारा उत्पंन छवियां । एक) लोगो गैर filamented बीम के साथ imaged । ख) लोगो filamented बीम के साथ imaged । इस आंकड़े का बड़ा संस्करण देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें ।
चित्रा 3 । रासायनिक नक्शा. रेत के नीचे दबे धातु की वस्तुओं की छवि को और अधिक स्पष्ट रूप से सुलझाया गया । a) रेत के ऊपर वस्तुओं । ख) २.३ ± ०.३ mm रेत के नीचे की वस्तुएं । ग) सामग्री संरचना रंग के साथ छवि-धातु वर्णक्रमीय सुविधाओं के लिए कोडित. एल्यूमीनियम के साथ दफन वस्तुओं की समग्र छवि (Al), तांबा (घन), और स्टेनलेस स्टील (SS) लाल, हरे, और सियान रंग घटकों को इसी, क्रमशः कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।
Discussion
इसके बाद के संस्करण प्रस्तुत विधि उच्च तीव्रता लेजर प्रतिष्ठित असभ्य दूरी पर दिया प्रकाश के उपयोग के लिए एक प्रयोगशाला प्रोटोकॉल है । ऐसे प्रकाश के असंख्य संभव अनुप्रयोगों के-कारें, FIBS, THz विकिरण, photoacoustics, superradiance, आदि – कई अनुप्रयोगों सतह सामग्री गुणों के बारे में बिंदु जानकारी प्रदान कर सकते हैं. उप-शास्त्रीय-विवर्तन-सीमित स्थान आकार के साथ फेम्टोसेकेंड लेजर तंतु सतह को बिन्दु-दर-बिन्दु आधार पर स्कैन करते समय इन तकनीकों के उपयोग की अनुमति देता है । यह प्रोटोकॉल इस तरह की तकनीकों के विकास के लिए एक आदर्श परीक्षण बिस्तर है ।
प्रोटोकॉल का सबसे महत्वपूर्ण पहलू लेजर filamentation उत्पंन करने के लिए है । स्थिर लेजर filamentation उत्पन्न करने के लिए, महत्वपूर्ण लेजर तीव्रता कुछ 1013 w/सेमी2 और clamped तीव्रता के आसपास है 1.4 x1014 w/16प्रयोग में मापा । कोई लेजर filamentation जब तीव्रता या तो उच्च या कम है । तीव्रता बहुत अधिक है, तो मध्यम फोकल बिंदु पर दृढ़ता से ionized हो सकता है और एक लेजर प्रेरित ब्रेक डाउन हो जाएगा । लेजर फिलामेंटेशन की जगह चमकीली चिंगारी देखी जाएगी । उस मामले में, शक्ति attenuate या एक लंबे समय तक फोकल लंबाई के साथ एक लेंस का उपयोग करें । इसके विपरीत, यदि शक्ति कम है (कोई प्लाज्मा पीढ़ी मनाया जाता है), शक्ति में वृद्धि या कम फोकल लंबाई के साथ एक लेंस का उपयोग करें । इसके अलावा, या तो मामले में, यह कलरव के लिए एक लेजर filamentation फार्म में मदद समायोजित करने के लिए सार्थक है ।
इस स्कैनिंग तकनीक आमतौर पर बेहतर प्रयोगशाला के उपयोग के लिए उपयुक्त है और अवधारणा के सबूत के बजाय फील्ड तैनाती के बाद से क्षेत्र में सुदूर संवेदन आमतौर पर ठीक अनुवाद की अनुमति नहीं है जांच के तहत लक्ष्य के चरण नियंत्रण । उन परिदृश्यों में एक ही प्रयोगशाला विकसित लेजर तकनीकों का इस्तेमाल किया जा सकता है, लेकिन लेजर खुद को और अधिक पारंपरिक बीम स्टीयरिंग तरीकों के माध्यम से इस तरह के लेजर उपकरण के उंमुखीकरण बदलने के रूप में स्कैन किया जाना होगा ।
प्रोटोकॉल अपेक्षाकृत आसानी से कई filaments, फिलामेंट बंडलों, पंप जांच प्रयोगों, गतिरोध स्पेक्ट्रोस्कोपी, waveguide, या कई अन्य संभावनाओं के साथ प्रयोगों को शामिल करने के लिए बढ़ाया जा सकता है. प्रत्येक मामले में, एक प्रमुख प्रायोगिक बाधाओं के अंतर्विभाजक फोकल स्थलों के संरेखण है, लेकिन इस प्रोटोकॉल के साथ, यह केवल एक बार किया जाना चाहिए । ऑप्टिकल तत्वों जगह में तय कर रहे है और नमूना ही एकमात्र वस्तु को स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक है । यह एक अनुवाद चरण के साथ बहुत ठीक किया जा सकता है । लेजर से सैकड़ों मीटर की दूरी पर फिलामेंट निर्माण सहित फिलामेंट फॉर्मेशन डिस्टेंस के स्थान पर आगे नियंत्रण प्राप्त करने के लिए इस प्रोटोकॉल में और संशोधन, आउटपुट लेज़र पल्स के सावधानीपूर्वक नियंत्रण द्वारा सिद्धांत रूप में संभव है । बहु-filamentation भी प्रचार के दौरान एक तरंग गाइड है, जो मुक्त अंतरिक्ष में एक प्रकाश देने में मदद कर सकता है के रूप में होगा ।
सुदूर संवेदन, एक व्यापक विषय है, जो भौतिकी, रसायन, अभियांत्रिकी, पर्यावरण विज्ञान आदिविषयों पर विस्तृत है । अनुपूरक सामग्री में, हम अतिरिक्त रिमोट सेंसिंग योजनाओं का प्रस्ताव करते हैं जिसमें भराव के अलावा स्टैंड-ऑफ स्पेक्ट्रोस्कोपी और सुपररेडिएंस शामिल हैं ।
Disclosures
ब्याज की कोई टकराव की घोषणा की ।
Acknowledgments
इस शोध को कार्यालय ऑफ नेवल रिसर्च (ओएनआर) (पुरस्कार N00014-16-1-2578 और N00014-16-1-3054), रॉबर्ट ए वेल्च फाउंडेशन (ग्रांट नंबर-2) द्वारा समर्थित किया गया है । A-१५४७, नहीं । (ए-१२६१), वायु सेना कार्यालय, वैज्ञानिक अनुसंधान (पुरस्कार सं । FA9550-18-1-0141), स्मार्ट फैलोशिप और विज्ञान और प्रौद्योगिकी के लिए राजा अब्दुलअजीज शहर (KACST) से अनुदान ।
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Femtosecond laser system | Coherent Co | Legend Elite System | 1 kHz system, fs system pulse energy 4 mJ |
| IRIS | Thorlabs | id25 | Mounted Standard Iris, Ø25.0 mm Max Aperture, TR3 Post |
| Lens | Thorlabs | LA1908-C | L=50 cm, Plano-Convex Lenses (AR Coating: 1050 - 1700 nm) |
| Mirrors | Thorlabs | PF10-03-P01 | Plano metallic mirror |
| Photodetector | Hamamatsu | H12694 | Thermoelectric cooled NIR-PMT unit |
| Spectrometer | Ocean Optics | OCEAN_HDX_VIS_NIR | Spectrometer, high dynamic range, 350-950 |
| Translation Stage | Thorlabs | PT3-Z8 | 25 mm (0.98") Three-Axis Motorized Translation Stage, 1/4"-20 Taps |
References
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