Summary
Høy intensitet femtosecond pulser av laserlys kan gjennomgå sykluser av Kerr selv fokus og plasma defocusing, spre en intens sub-millimeter-diameter bjelke over lange avstander. Vi beskriver en teknikk for å generere og bruke disse filamenter for å utføre ekstern imaging og sensing utover klassisk Diffraksjon grensene for lineær optikk.
Abstract
Verifiserer ekstern saken med laserlys er en allestedsnærværende teknikken brukes i tilfeller så forskjellige som laser-indusert sammenbrudd spektroskopi og Strekkode skannere. I klassisk optikk, er intensiteten som kan bringes til å bære på eksterne mål begrenset av størrelsen på laser på avstand av målet. Denne størrelsen har en nedre grense bestemmes av Diffraksjon grensen av klassisk optikk. Men generere forsterket femtosecond laser pulser intensitet tilstrekkelig til å endre brytningsindeks i luften og gjennomgå selv fokus. Denne selv fokus effekten fører til generering av svært intens laser filamenter som opprettholde sin intensitet og små sub millimeter diameter størrelsen på avstander godt utover klassisk Rayleigh lengden. Slike intensitet gir mulighet for ekstern skanning, bildebehandling, sensing og spektroskopi med forbedret romlig oppløsning. Vi beskriver en teknikk for å generere filamenter med en femtosecond regenerativ summet-puls forsterker, og bruk av det resulterende filament for å gjennomføre tenkelig og spektroskopiske målinger på ekstern avstand på flere meter.
Introduction
Romlig samholdet og tilsvarende liten divergens vinkelen av laser bjelker har ført til mange programmer i fjernmåling, inkludert kjemisk-sensitive målinger av atmosfæren1,2, område-finne3, og eksterne spektroskopi4. Egenskapene for samme sammenheng at svært tett fokusering av laserlys som kan levere kontinuerlig fokusert intensiteter av milliarder av watt per kvadratcentimeter og pulserende intensiteter av 1013 watt per kvadrat centimeter over en periode på noen femtoseconds. Slike ekstreme intensiteter er nyttig for mange programmer inkludert undersøke lineære optiske egenskapene til spørsmål5, precision optisk micromachining6, materialer karakterisering gjennom laser-indusert-oversikt spektroskopi7, stimulert Raman spektroskopi8,9,10og trace kjemisk påvisning11.
De fysiske begrensningene for Gaussian bjelker setter imidlertid grenser til å bruke disse egenskapene av ekstreme intensitet og små divergens vinkel samtidig. En laserstråle fokusert på en liten flekk størrelse vil nødvendigvis avviker med en større vinkel. Klassisk, er strålen divergens vinkelen gitt ved, der λ er bølgelengde og w0 er radius av bjelke midjen. Siden divergens vinkelen er satt av diameteren på laserstrålen og brennvidde f av fokus linsen, og tett fokus er ikke mulig i en avstand på mange meter som f blir stor sammenlignet med d.
Arbeidere innen forsterket femtosecond pulser lagt merke til at denne begrensningen på intensitet g. området ble brutt for høy intensitet femtosecond pulser, med brenne merker mindre enn Diffraksjon grensen på mål på stor avstand fra den opprinnelige laser12. Dette ble funnet av Kerr-effekt selv fokus. Brytningsindeks luften er endret til intensiteten av feltet laser, og når laseren har en Gaussian intensitet profil, resulterende refraktiv intensitet profilen blir funksjonelt linsen5. Strålen fokuserer selv som det overfører, noe som resulterer i en smal og intense filament av mindre enn 100 µm radius som liten størrelse vedlikeholdes av en dynamisk balanse mellom klassisk Diffraksjon, Kerr selv fokusere og defocusing på grunn av plasma generasjon13.
Med femtosecond laser filamenter, kan intensitet på 1013 W/cm2 leveres til mål på avstander på mange meter med kommersielt tilgjengelig femtosecond summet-puls forsterkere. Dermed kan mange eksperimenter som tidligere krevde tett fokus forhold og mål nær et objektiv av høy numeriske blenderåpning nå gjøres på avstand mer typisk for eksterne sensing programmer. Intensiteter mye høyere enn denne terskelen er imidlertid ikke lett mulig med filamentation, som strålen pleier å bryte opp i flere filamenter der hvert individuelle filament er nær kritiske makt for fokusering selv13.
Mange programmer er mulig. Vi presenterer en protokoll primært gjelder bildebehandling og spektroskopi av eksterne mål ved å bruke en femtosecond laser filament skannet over målet overflaten. Eksperimentell oppsettet vises i figur 1.
Protocol
1. opprettelsen av Femtosecond Laser Filament
- Femtosecond filamenter krever utdata fra en klasse 4 laser, slitasje passende vernebriller vurdert for bestemt laser system i bruk og en klar og veldefinert strålen linje med en passende strålen dump. Følg alle standard laser prosedyrer.
- Begynne med produksjonen av en pulserende, forsterket femtosecond laser som øyeblikkelig utgangseffekt er større enn eller lik kritiske makt for selv fokusering i luften, om 3.2 GW for en Ti:Sapphire laser på 800 nm bølgelengde. Generere forsterket pulsen i en kommersiell femtosecond laser forsterker systemet bruker produsentens protokollen. I praksis pulsen energi av ca 1 mJ for en ca 35 fs puls er tilstrekkelig. Gode resultater oppnås med puls energi av 2-4 mJ.
- Passere laserstrålen gjennom en iris som litt klipp ytterkantene. Det er observert for å fremme filament formasjon, siden filament formasjon er kjent for å være rangert av skarpe overganger og inhomogeneity i romlig intensitet profilen av laser.
- Bestått strålen gjennom konvergerende linsen med en brennvidde på ca 200 cm eller større, slik at den geometriske fokus ikke er så stor som selv fokus er overveldet av optisk sammenbrudd eller Diffraksjon. Lett vippe linsen med hensyn til retning forplantning, siden flere anisotropy er kjent for å hjelpe seedet selv fokus prosessen.
- Observere en filament et sted nær geometriske fokus på linsen. Diagnostisere filamentation av en diffus (flere-mm-størrelse) halo rundt en lys (ca 100 µm-størrelse) kjerne. Halo kan sees på en stortingsmelding og lyse kjernene flimre vanligvis.
- I tillegg ser en karakteristisk selv fase modulering prosessen i luften, som produserer lys, multi-farget koniske utslipp ringer som vises utenfor filament. For lasere med energier som flere ganger terskelen for filamentation, er flere filamenter observert. Disse vises som flere lyspunkter i konisk utslipp mønster, og kan fjernes av demping før iris.
2. ekstern skanning av målet overflaten
- Sette en to-akse motorisert oversettelse scene i stand til å flytte utvalget i retning tverrstilt til utbredelsen av laserstrålen på bordet. Kontroller at laserstrålen er hendelsen på midten av scenen. Bolt scenen på tabellen med skruer. For laboratoriet formål er det vanligvis enklere å holde laserstrålen fast i rommet under skanning målet under strålen.
- Plasser sand i en beholder (5 mm x 25,4 x 25,4 mm). Tykkelsen av sand er rundt 2 mm.
- Sette metaller (kobber, rustfritt stål, aluminium) på sand (figur 3a). Dekke metaller med et 2 mm lag av sand (figur 3b).
- Med laser av, sette beholderen i midten av oversettelse scenen. Kontroller at midten av beholderen på lokasjonen der filamentation er observert trinn 1.1-1.5.
- Sett opp av laser datastyring å skyte et eneste skudd når elektronisk ledet. Skrive en LabVIEW eller en lignende maskinspråk utføre kontrollen. For automatisert single-shot pulser kreves det en ekstern utløser.
- Koble en utløser TTL puls til ekstern utløser-porten på baksiden av laser-kontrollmodulen med en BNC-kabel. Aktivere ekstern utløser på laser-kontrollmodulen. TTL pulsen nå utløse laser å skyte et eneste skudd.
- Angi riktig sensor apparatet. Definere inngangen spectrometer peker til skadepunktet.
- Bruke en linse å lyset fra filamentation innvirkning punktet i en spectrometer. Kontroller at avstanden mellom linsen og filamentation om brennvidden.
- Koble spectrometer med datamaskinen via USB-kabel. Bruk programvare for å overvåke spekteret. Åpne programvaren og spekteret, og deretter kjøre .
- Bruk musen til å zoome inn området som registreres i eksperimentet. Optimalisere spectrometer stillingen etter å ha sett signalet på skjermen.
- For bildebehandling målinger, erstatte spectrometer med et photomultiplier rør eller en CCD kamera.
- Skriv et program i LabVIEW eller et lignende datamaskin språk for å utføre en løkke over følgende: brann et eneste skudd fra laseren; samle og lagre de endelige dataene; flytte oversettelse scenen til neste koordinat punkt.
Representative Results
Oppløsning av skannede bilder er begrenset optisk bare av ~ 100 µm. Derfor bør oversettelsen scenen bevegelse være i denne størrelsesorden eller mindre for maksimal oppløsning. Men er dette nivået av oppløsning ikke nødvendig for alle målinger. Denne protokollen er brukt både tenkelig14 og spektroskopiske15 mål. Figur 1 viser eksperimentelle oppsettet. Pulsen genereres i en forsterker-system. Pulsen er 1 kHz, 50 AS, og sentrert på 800 nm. Figur 2 sammenligner en skanning av en liten Texas A & M-logoen målet tatt med en laser på Diffraksjon limit sammenlignet avsøking tatt med en filament-forming strålen. Dette eksperimentet ble utført filamenter i flytende vann, men resultatene kan være skala for luft i remote sensing13. Figur 3 viser løst romlig-filament-indusert sammenbrudd spektroskopi skanninger av metallgjenstander av ulike sammensetning begravet ca to millimeter under et lag av sand. Figurene og komposisjoner av metall objekter er tydelige. Generelt sett gir filamentation en rekke mekanismer for målet effekter. Første pulsen kan gi informasjon om overflatelag, mens påfølgende pulser kan gi informasjon om dypere deler av materialet gjennom ablasjon eller mekanisk fjerning av overflaten lag.
Figur 1. Eksperimentell oppsettet. Laseren er 1 kHz, 50 AS, og sentrert på 800 nm. Det er fokusert med en linse å nå intensiteten (~ 1013 W/cm2) for å danne laser filamenter. Objektet under sand og sette på en oversettelse scene. Spredte lys samles med en spectrometer. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2. Sub-diffraction-begrenset imaging. Eksterne bilder generert ved å skanne en laserstråle over en trykt Texas A & M-logoen i en avstand på flere meter. a) logo fotografert med ikke-filamented strålen. b) logo fotografert med filamented strålen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3. Kjemisk kartet. Spectrally og romlig løst bilde av metallgjenstander begravd under sand. a) objekter over sand. b) objekter under 2.3 ± 0.3 mm av sand. c) bilde med materialinnhold fargekodet metall spectral funksjoner. Sammensatt bilde begravet objekter med aluminium (Al), kobber (Cu) og rustfritt stål (SS) for rød, grønn, cyan farge komponenter, henholdsvis Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Discussion
Metoden presentert ovenfor er en laboratorium protokoll for bruk av høy intensitet laserlys levert på klassisk uløselige avstander. Av de mange mulige anvendelser av slike lys-biler, FIBS, THz stråling, photoacoustics, superradiance, etc. -mange programmer kan levere informasjon om overflaten materialegenskaper. Femtosecond laser filamenter med sub-classical-Diffraksjon-begrenset størrelsen tillater bruk av disse teknikkene under skanning overflaten på punkt-til-punkt basis. Denne protokollen er en ideell testen seng for utvikling av slike teknikker.
Det viktigste aspektet av protokollen er å generere laser filamentation. Vil generere stabil laser filamentation, kritisk laser intensiteten er noen 1013 W/cm2 festet intensiteten er rundt 1.4x1014 W/cm2 målt i eksperimentet16. Det er ingen laser filamentation når intensiteten er enten høy eller lav. Hvis intensiteten er for høy, medium kan være ionisert sterkt på fokus og en laser indusert break-ned vil skje. En lysende gnist i stedet for en laser filamentation vil bli observert. I så fall attenuere makt eller bruke en linse med en lengre brennvidde. Omvendt, hvis makt er lav (ikke plasma generasjon er observert), øke kraften eller bruke en linse med kort brennvidde. Dessuten, uansett er det verdt å justere kvitre for å bidra til å danne en laser filamentation.
Denne skanning teknikken er vanligvis bedre egnet til laboratoriebruk og proof-of-concept enn åker oppstillingen siden remote sensing i feltet vanligvis tillater ikke fin oversettelse-trinns kontroll av målet under etterforskning. I disse scenarioene samme lab utviklet laser teknikker kan brukes, men laser selv må søkes gjennom mer tradisjonelle strålen styring metoder som endrer retning på laser apparatet seg.
Protokollen kan relativt lett utvides for å involvere eksperimenter med flere filamenter, filament bunter, pumpe-sonden eksperimenter, standoff spektroskopi, waveguide eller mange andre muligheter. I hvert tilfelle, en av de store eksperimentelle hindrene justeringen av de kryssende fokal flekkene, men med denne protokollen, dette må bare gjøres én gang. De optiske elementene er fast prøven seg er det eneste objektet må flytte. Dette kan gjøres svært presist med en oversettelse scene. Ytterligere er endring av denne protokollen til å oppnå mer kontroll over plasseringen av filament formasjon avstand, inkludert filament formasjon på hundre meter fra laseren, mulig i prinsippet av nøye kontroll av utdata laser pulsen. Multi-filamentation vil også danne en waveguide under forplantning, som kan gi et lys i plass.
Fjernmåling er en bred emne som spenner over fag som fysikk, kjemi, engineering, miljølære, etc. Supplerende materiale foreslår vi flere eksterne sensing ordninger som stand-off spektroskopi og superradiance i tillegg til filamentation.
Disclosures
Ingen interessekonflikter erklært.
Acknowledgments
Forskningen støttes av den Office av Naval Research (ONR) (Award N00014-16-1-2578 og N00014-16-1-3054), Robert A. Welch Foundation (Grant nr. A-1547, nr. A-1261), Air Force kontoret til vitenskapelig forskning (Award nr. FA9550-18-1-0141), SMART fellesskap og et stipend fra King Abdulaziz City for vitenskap og teknologi (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).
