Summary
בפמטושניות בעוצמה גבוהה פולסים של אור לייזר יכול לעבור מחזורי קר עצמית התמקדות ו פלזמה defocusing, הפצת של קרן משנה-millimeter-קוטר אינטנסיבי על פני מרחקים ארוכים. אנו מתארים שיטה להפקת ולשימוש חוטים אלה כדי לבצע הדמיה וחישה מרחוק מעבר לגבולות עקיפה הקלאסית של אופטיקה לינארית.
Abstract
חיטוט עניין מרחוק עם אור לייזר היא טכניקה בכל מקום המשמש בנסיבות מגוונים כגון סורקים ספקטרוסקופיה ו ברקוד לייזר המושרה התמוטטות. באופטיקה קלאסית, עוצמת ולכל לשאת יעד מרוחק מוגבל לפי גודל ספוט הלייזר ממרחק של היעד. בגודל נקודה זו יש מאוגד התחתונה שקבע את הגבול עקיפה של אופטיקה קלאסית. עם זאת, פעימות לייזר הפמטו-שנייה מוגבר להפיק עוצמה מספיק כדי לשנות את מקדם שבירה של טמפרטורת האוויר ומבצעת עצמית התמקדות. אפקט עצמית התמקדות זה מוביל הדור של חוטים לייזר חזקה ביותר המקיימות שלהם העוצמה וגודל קטן מילימטר קוטר במרחקים הרבה מעבר האורך ריילי קלאסית. בכזאת עוצמה מספקת את היכולת של מרחוק סריקת הדמיה, חישה, ספקטרוסקופיה עם רזולוציה מרחבית משופרת. אנו מתארים טכניקה ליצירת חוטים עם מגבר chirped...-הדופק משובי הפמטו-שנייה, ואת השימוש את הסיב וכתוצאה מכך לערוך מדידות הדמיה, ספקטרוסקופיות במרחקים מרחוק לפחות מספר מטרים.
Introduction
קוהרנטיות מרחבית של הזווית המתאימה סטייה קטנה של לייזר קורות הובילו יישומים רבים, חישה מרחוק, כולל מדידות רגיש מבחינה כימית של האווירה1,2, למציאת טווח3, ספקטרוסקופיה מרוחק4. אותם מאפיינים קוהרנטיות מאפשרים מאוד התמקדות חזק של אור לייזר שיכולים לספק רציפה ממוקד עוצמות של מיליארדי וואט לסנטימטר מרובע ו פעמו עוצמות של 10 ואט13 לכל סנטימטר מרובע על פני תקופה של כמה femtoseconds. עוצמות קיצוני כזה שימושיים עבור יישומים רבים, לרבות בחינת מאפייני אופטית לא-ליניאריות משנה5, דיוק אופטי לעבד6, אפיון חומרים באמצעות לייזר-induced-פירוט ספקטרוסקופיה7,9,8,ספקטרוסקופיית ראמאן מגורה10ועקבות זיהוי כימי11.
עם זאת, המגבלות הפיזיות של קורות גאוסיאנית להגדיר גבולות היכולת להחיל מאפיינים אלה של עוצמת קיצוני והזווית סטייה קטנה בו זמנית. קרן לייזר ממוקדת לגודל נקודה קטנה יהיה לסטות בהכרח עם זווית גדול. בסגנון קלאסי, קרן דיברגנץ הזווית מבוטאת על ידי, איפה λ הוא אורך הגל ו- w0 הוא הרדיוס של המותניים קרן. מאז הזווית סטייה מוגדרת על-ידי הקוטר של קרן הלייזר ואת אורך המוקד f של העדשה התמקדות, מיקוד חזק אינה אפשרית במרחקים של מטרים רבים כמו f הופך להיות גדול בהשוואה ל- d.
עובדים בתחום הפמטו-שנייה מוגבר פעימות לב כי הגבלה זו על עוצמת לעומת טווח היה הפר על פולסים הפמטו-שנייה בעוצמה גבוהה, עם סימני הכוויות קטן יותר ממגבלת עקיפה המופיעים על מטרות במרחק גדול שמקורם לייזר12. זה נמצא עקב אפקט קר עצמית התמקדות. מקדם שבירה של האוויר משתנה בפרופורציה עוצמת השדה לייזר, כאשר הלייזר יש פרופיל בעוצמה לפי עקומת גאוס, הפרופיל עוצמת השבירה וכתוצאה מכך הופך באופן פונקציונלי עדשה5. הקרן מתמקדת עצמית כפי היא מפיצה, וכתוצאה מכך נימה צר ונמרץ של פחות מ- 100 רדיוס µm גודל קטן אשר נשמר על ידי איזון דינמי בין עקיפה קלאסית, קר עצמית התמקדות ו defocusing בשל פלזמה הדור13.
זיריהם לייזר הפמטו-שנייה, עוצמות גודל13 10 W/cm2 יכול להיות מועברת אל המטרות במרחקים של מטרים רבים עם מגברים chirped...-הדופק בפמטושניות זמין מסחרית. לפיכך, ניסויים רבים אשר בעבר נדרש מטרות קרוב מאוד עדשה של מפתח נומרי גבוהה ותנאים התמקדות חזק יכול להיעשות עכשיו ממרחק אופיינית של יישומי חישה מרחוק. עם זאת, עוצמות הרבה יותר גבוה מסף זה אינן אפשריות בקלות עם filamentation, כפי הקורה נוטה מתחלקים חוטים מרובים איפה כל פילמנט בודדים ליד הכוח קריטי למיקוד עצמית13.
יישומים רבים אפשריים. אנו מציגים פרוטוקול החלים בעיקר הדמיה וספקטרוסקופיה של יעדים מרוחקים באמצעות של פילמנט לייזר הפמטו-שנייה שנסרקו על פני המטרה. הגדרת הניסוי מוצג באיור1.
Protocol
1. יצירה של חוט הלהט לייזר הפמטו-שנייה
- כמו חוטים הפמטו-שנייה לדרוש את הפלט של לייזר מחלקה 4, הגנה העין המתאימות ללבישה מדורג עבור המסוימת לייזר המערכת בשימוש, לייסד קרן ברור ומוגדר היטב עם ה-dump קרן המתאים. בצע את כל נהלי בטיחות בלייזר סטנדרטי.
- להתחיל עם הפלט של לייזר הפמטו-שנייה פעמו, מוגבר שכוחם פלט מיידי הוא גדול או שווה לכוח קריטיים למיקוד עצמית באוויר, בערך 3.2 GW עבור Ti:Sapphire לייזר-800 גל nm. צור דופק מוגבר בתוך מערכת מגבר לייזר הפמטו-שנייה מסחרי באמצעות הפרוטוקול של היצרן. בפועל, הדופק האנרגיה של 1 mJ במשך כ 35 fs הדופק מספיקה. תוצאות טובות מתקבלים עם הדופק האנרגיה של 2-4 mJ.
- עוברים קרן הלייזר דרך קשתית העין זה מעט קליפים השוליים החיצוניים. הוא ציין לקדם היווצרות נימה, מאז היווצרות הלהט ידוע להיות זרועה על-ידי מעברי צבע חדה, inhomogeneity בפרופיל בעוצמה המרחבי של הלייזר.
- להעביר את קרן דרך העדשה מתכנסים בעלת אורך מוקד של 200 ס מ או יותר, כך התמקדות גיאומטרי הוא לא כל כך גדול כך עצמית התמקדות היא מוצפת התמוטטות אופטי או עקיפה. מעט להטות את העדשה ביחס לכיוון של התפשטות, מאז חיזקו נוספים וידועה בעזרה זרע תהליך עצמית התמקדות.
- להתבונן על נימה במיקום בקרבת המוקד גיאומטרי של העדשה. לאבחן filamentation על-ידי ' מאטום לשקוף ' (מספר מ מבגודל) הילה סביב גרעין בהיר (כ 100 מיקרומטר-בגודל). אפשר היה לראות את ההילה על נייר לבן, בהיר הליבות בדרך כלל להבהב.
- בנוסף, להתבונן מאפיין עצמית שלב תהליך אפנון באוויר, אשר מייצר טבעות פליטה חרוט בהיר, צבעוני הגלויים מעבר חוט הלהט. עבור לייזרים עם אנרגיות המצויות מספר פעמים את הסף עבור filamentation, חוטים מרובים הם נצפו. אלה נראים כמו כתמים בהירים מרובות בתבנית פליטה חרוט, ניתן לסלק על-ידי הנחתה בעבר הקשתית.
2. סריקה מרחוק של פני השטח יעד
- לשים שלב התרגום ממונע דו-ממדית מסוגל להעביר את הדגימה בכיוון רוחבי כדי התפשטות של קרן הלייזר על השולחן. ודא כי קרן הלייזר התקרית על מרכז הבמה. בולט על הבמה על השולחן עם ברגים. למטרות מעבדה, בדרך כלל קל יותר לשמור על קרן הלייזר קבועה בחלל בעת סריקת המטרה תחת הקורה.
- מקום חול במיכל (5 מ מ x 25.4 מ"מ x 25.4 מ"מ). העובי של חול הוא בערך 2 מ מ.
- לשים המתכות (נחושת, נירוסטה, אלומיניום) על החול (איור 3 א). מכסים את המתכת עם שכבה נוספת של 2 מ מ של חול (איור 3b).
- עם הלייזר חופש, לשים את המיכל במרכז הבמה תרגום. ודא כי המרכז של מיכל הוא במיקום שבו filamentation הוא ציין עבור שלב 1.1-1.5.
- הגדר בקרת מחשב של הלייזר לירות ירייה אחת כאשר אלקטרונית ציווה. לכתוב LabVIEW או בשפת מחשב דומה כדי לבצע את הפקד. עבור אוטומטית פולסים קליע בודד, בגורם מפעיל חיצוני נדרש.
- להתחבר טריגר TTL הדופק ליציאה טריגר חיצוני מאחור מודול בקרת לייזר עם כבל BNC. להפעיל את האפשרות טריגר חיצוני על מודול בקרת לייזר. הדופק TTL עכשיו יפעילו את הלייזר לירות ירייה אחת.
- להרכיב את המערכת חיישן המתאים. להגדיר את הכניסה של ספקטרומטר מצביע על נקודת השפעה.
- להשתמש כמה האור מנקודת הפגיעה filamentation לתוך ספקטרומטר העדשה. ודא כי המרחק בין העדשה לבין filamentation הוא על אורך המוקד.
- התחבר ספקטרומטר את המחשב באמצעות כבל USB. השתמש בתוכנה כדי לפקח על הספקטרום. לפתוח את התוכנה ואת הספקטרום ולאחר מכן לחץ על הלחצן ' הפעל '.
- השתמש בעכבר כדי להגדיל את טווח המתועד לניסוי. למטב את המיקום ספקטרומטר אחרי שראיתי את האות על המסך.
- הדמיה מדידות, החלף את ספקטרומטר צינור האופטיקה או מצלמת CCD.
- כתוב תוכנית LabVIEW או שפה דומה למחשב לבצע לולאה על השלבים הבאים: אש. יריה בודדת הלייזר; לאסוף ולשמור את הנתונים המתקבלים; להעביר את הבמה תרגום קואורדינטות הנקודה הבאה.
Representative Results
הרזולוציה של תמונות סרוקות מוגבל שטיחות רק על ידי ~ 100 מיקרומטר. לכן, ההצעה שלב התרגום צריך להיות של זה סדר גודל או להקטין הרזולוציה המרבית. עם זאת, רמה זו של רזולוציה אינו הכרחי עבור כל המדידות. פרוטוקול זה משמש הדימות14 ומדידות ספקטרוסקופיות15 . איור 1 מציג את הגדרת הניסוי. הדופק נוצרת מערכת מגבר. הדופק הוא קילוהרץ 1, 50 fs, וממורכז ב 800 ננומטר. איור 2 משווה סריקה של קטן טקסס A & M לוגו מטרה שצולמו באמצעות לייזר על גבול עקיפה בהשוואה סריקה עם קרן להיוות נימה. הניסוי התבצע בעזרת חוטים במים זורמים, אך התוצאות עשוי להיות שקנה המידה שלה השתנה אוויר חישה מרחוק13. איור 3 מראה במרחב-נפתרה התמוטטות הנוצרות על-ידי פילמנט סריקות ספקטרוסקופיה של חפצי מתכת של הרכב שונה קבורים כ-2 מ מ מתחת שכבה של חול. צורות של קומפוזיציות של האובייקטים מתכת נראים לעין. באופן כללי, filamentation מספק מספר מנגנונים לאפקטים היעד. הדופק הראשוני יכול לספק מידע על שכבת פני השטח, בעוד פעימות עוקבות יכול לספק מידע על חלקים עמוק יותר של החומר באמצעות אבלציה או מכני הסרת שכבות פני השטח.
איור 1. הגדרת הניסוי. הלייזר הוא קילוהרץ 1, 50 fs, וממורכז ב 800 ננומטר. . היא ממוקדת עם עדשה כדי להגיע את העוצמה (~ 1013 W/cm2) כדי ליצור לייזר חוטים. האובייקט תחת חול ולהניח על שלב התרגום. האור מפוזר נאסף עם ספקטרומטר. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
באיור 2. משנה-diffraction-מוגבלת הדמיה- תמונות מרחוק שנוצרו על-ידי סריקת קרן לייזר על פני סמל טקסס A & M המודפס ממרחק של כמה מטרים. a) לוגו עם תמונה עם קרן filamented. b) לוגו עם תמונה עם קרן filamented. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 3. המפה כימי. Spectrally והמרגשים נפתרה התמונה של חפצי מתכת קבורה מתחת חול. a) אובייקטים מעל חול. b) אובייקטים מתחת 2.3 ± 0.3 מ מ של חול. ג) תמונה להרכב גשמי מקודדים לתכונות ספקטרלי מתכת. תמונה ללא הפרדות צבע של האובייקטים קבור עם אלומיניום (Al), נחושת (Cu), פלדת אל-חלד (הה) התואם אדום, ירוק, תכלת צבע רכיבים, בהתאמה אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
Discussion
השיטה המובאת לעיל הוא פרוטוקול המעבדה לשימוש של אור לייזר בעוצמה גבוהה גאל סורר בסגנון קלאסי במרחקים. היישומים האפשריים רבים של כזה אור – מכוניות, fibs שעברה, קרינה THz, photoacoustics, superradiance, וכו '. – יישומים רבים שיכולים לספק נקודת מידע אודות תכונות פני השטח של חומר. חוטים לייזר הפמטו-שנייה בגודל נקודה משנה-classical עקיפה-מוגבל מאפשר שימוש של טכניקות אלה בעת סריקת פני השטח על בסיס מדוקדק. פרוטוקול זה היא מיטה מבחן אידיאלי לפיתוח של טכניקות אלה.
הפן הקריטי ביותר של הפרוטוקול היא לייצר את filamentation לייזר. כדי להפיק את filamentation לייזר יציב, עוצמת לייזר קריטי הוא מספר 1013 W/cm2 והוא עוצמת בחוזקה סביב 1.4x1014 W/cm2 נמדד ניסוי16. יש אין filamentation לייזר כאשר עוצמת הוא גבוה או נמוך. אם עוצמת הוא גבוה מדי, המדיום עשויים להיות ionized חריפה-מוקד, לייזר המושרה פריצה מטה יקרה. ניצוץ בהיר במקום filamentation לייזר יתקיימו. במקרה הזה, להחליש את הכוח או להשתמש עדשות עם אורך מוקד ארוך יותר. לעומת זאת, אם מתח נמוך (דור פלזמה לא נצפית), להגדיל את הכוח או להשתמש עדשות עם אורך מוקד קצר. יתר על כן, בכל מקרה, יש להתאים את מעוצבנת כדי לעזור לילדים ליצור של filamentation לייזר.
טכניקה סריקה זו בדרך כלל מתאים יותר לשימוש מעבדה, הוכחה הרעיון במקום השדה פריסת מאז מרחוק חישה בשדה בדרך כלל אינו מאפשר תרגום בסדר-שלב הבקרה של המטרה תחת חקירה. בתרחישים אלה אותן טכניקות שפותחו במעבדה לייזר יכול לשמש, אבל הלייזר עצמו יהיה שיסרק דרך קרן מסורתיים יותר היגוי שיטות כגון שינוי הכיוון של המנגנון לייזר עצמה.
הפרוטוקול יכול ניתן להרחיב בקלות יחסית לערב ניסויים עם חוטים מרובים, חבילות נימה, משאבת-בדיקה ניסויים, תיקו ספקטרוסקופיה, גלבו או אינספור אפשרויות אחרות. בכל מקרה, אחד המכשולים העיקריים ניסיוני הוא היישור של המקומות מוקד מצטלבים, אבל עם פרוטוקול זה, זה צריך להיעשות רק פעם אחת. אלמנטים אופטיים קבועים במקום, הדגימה עצמה היא האובייקט היחידי הנדרש כדי לעבור. זה יכול להיעשות במדויק עם שלב התרגום. עוד שינוי של פרוטוקול זה כדי להשיג שליטה נוספת המיקום של המרחק היווצרות נימה, כולל פילמנט היווצרות מאות מטרים הלייזר, אפשרי באופן עקרוני על ידי בקרה על הדופק לייזר פלט. מולטי-filamentation יהיה גם טופס גלבו במהלך התפשטות, אשר יכול לעזור לספק אור שטח פנוי.
חישה מרחוק היא נושא רחב המתפרס על דיסציפלינות כגון פיזיקה, כימיה, הנדסה, מדעי הסביבה, וכו '. בחומר משלים, אנו מציעים ערכות חישה מרחוק נוספים לרבות להתנתק ספקטרוסקופיה ו superradiance בנוסף filamentation.
Disclosures
שאין ניגודי אינטרסים הכריז.
Acknowledgments
המחקר נתמך על ידי המשרד של חיל הים מחקר (האיש) (פרס N00014-16-1-2578 ו- N00014-16-1-3054), רוברט א ולש קרן (מענק מס ' A-1547, מס A-1261), חיל האוויר Office של מחקר מדעי (פרס מס ' FA9550-18-1-0141), חכם מלגת מענק של המלך אירנה קרסנוסצ'יוקי העיר לענייני מדע וטכנולוגיה (KACST).
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
- Kocharocsky, V., et al. Gain-swept superrandiance applied to the stand-off detection of trace impurities in the atmosphere. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 102 (22), 7806-7811 (2005).
- Hemmer\, P., et al. Standoff spectroscopy via remote generation of a backward-propagation laser beam. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108 (8), 3130-3134 (2011).
- Zuber, M. T., et al. The Mars Observer laser altimeter investigation. Journal of Geophysical Research. 97, 7781 (1992).
- Mejean, G., et al. Remote detection and identification of biological aerosols using a femtosecond terawatt lidar system. Applied Physics B: Lasers and Optics. 78 (5), 535-537 (2004).
- Boyd, R. W. Nonlinear Optics. , Academic Press. (2008).
- Gattass, R. R., Mazur, E. Femtosecond laser micromachining in transparent materials. Nature Photonics. 2, 219-225 (2008).
- Tognoni, E., Palleschi, V., Corsi, M., Christoforetti, G. Quantitative micro-analysis by laser-induced breakdown spectroscopy: a review of the experimental approaches. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy. 57 (7), 1115-1130 (2002).
- Beadie, G., et al. Toward a FAST CARS anthrax detector: coherence preparation using simultaneous femtosecond laser pulses. Optics Communications. 244, 423-430 (2005).
- Scully, M. O., et al. FAST CARS: Engineering of a laser spectroscopic technique for rapid identification of bacterial spores. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 99 (17), 10994-11001 (2002).
- Pestov, D., et al. Optimizing the laser-pulse configuration for coherent Raman spectroscopy. Science. 316 (5822), 265-268 (2007).
- Braun, A. Self-channeling of high-peak-power femtosecond laser pulses in air. Optics Letters. 20 (1), 73-75 (1995).
- Couairon, A., Mysyrowicz, A. Femtosecond filamentation in transparent media. Physics Reports. 441, 47-189 (2007).
- Wang, K., et al. Remote sub-diffraction imaging with femtosecond laser filaments. Optics Letters. 37 (8), 1343-1345 (2012).
- Strycker, B. D., Wang, K., Springer, M. D., Sokolov, A. V. Chemical-specific imaging of shallowly buried objects using femtosecond laser pulses. Applied Optics. 52 (20), 4792-4796 (2013).
- Heck, G., Sloss, J., Levis, R. J. Adaptive control of the spatial position of white light filaments in an aqueous solution. Optics Communications. 259 (1), 216-222 (2006).
- Li, H. L., et al. Critical power and clamping intensity inside a filament in a flame. Optics Express. 24 (4), 3424 (2016).
