Høj intensitet femtosekund pulser af laserlys kan gennemgå cyklusser af Kerr selvstændige fokusering og plasma defocusing, formerings en intens sub millimeter diameter bom over lange afstande. Vi beskriver en teknik til at skabe og bruge disse filamenter for at udføre fjernbetjening imaging og sensing ud over de klassiske diffraktion grænser af lineær optik.
Sondering remote sagen med laserlys er en allestedsnærværende teknik i forhold så forskellige som laser-induceret opdeling spektroskopi og stregkode scannere. I den klassiske optik, er den intensitet, der kan bringes til at bære på en fjerntliggende mål begrænset af den spot størrelse af laser på målværdi. Denne spot størrelse har en nedre grænse bestemmes af diffraktion grænsen for klassisk optik. Dog generere forstærket femtosekund laserpulser intensitet tilstrækkeligt til at ændre brydningsindekset af den omgivende luft og gennemgå selv fokusering. Denne selvstændige fokusering effekt fører til generation af yderst intens laser filamenter, der bevarer deres intensitet og små sub millimeter diameter størrelse på afstande ud over den klassiske Rayleigh længde. Sådan intensitet giver mulighed for remote scanning, billedbehandling, sansning og spektroskopi med forbedret rumlige opløsning. Vi beskriver en teknik til at generere filamenter med en femtosekund regenerativ pippede puls forstærker, og for at bruge den resulterende glødetrådens for at gennemføre billedbehandling og spektroskopiske målinger på fjerntliggende afstande på mindst flere meter.
Rumlig sammenhæng og tilsvarende små divergens vinkel af laser stråler har ført til talrige applikationer i telemåling, herunder kemisk-følsomme målinger af atmosfæren1,2, range finding3, og remote spektroskopi4. De samme sammenhæng egenskaber tillader meget stramme fokusering af laserlys, der kan levere løbende fokuseret intensiteter af milliarder af watt pr. kvadratcentimeter og pulserende intensiteter af 1013 watt pr square centimeter over en periode på et par femtoseconds. Sådanne ekstreme intensiteter er nyttig for mange applikationer, herunder behandlingen af sagen5, præcision optisk mikro6, materialer karakterisering gennem laser-induceret-opdeling ulineære optiske egenskaber spektroskopi7, stimuleret Raman spektroskopi8,9,10, og trace Kemisk detektering11.
De fysiske begrænsninger af Gaussisk bjælker sætter dog en grænse på evnen til at anvende disse egenskaber af ekstrem intensitet og små divergens vinkel samtidigt. En laserstråle fokuseret til en lille spot størrelse vil nødvendigvis afvige med et større vinkel. Klassisk, er beam divergens vinkel givet ved, hvor λ er bølgelængden og w0 er radius af beam taljen. Da divergens vinkel er angivet af Laserstrålen diameter og fokusere linsen, brændvidden f , og stram fokus er ikke muligt i en afstand på mange meter, som f bliver for stor i forhold til d.
Arbejdstagere inden for forstærket femtosekund pulser bemærket, at denne begrænsning på intensitet vs. vifte var krænket ved høj intensitet femtosekund pulser, med brænde mærker mindre end diffraktion grænse optræder på mål i stor afstand fra den varer med oprindelsesstatus laser12. Dette blev anset for at være på grund af Kerr-virkning selv med fokus. Brydningsindekset af luft er ændret i forhold til intensiteten af laser felt, og når laser har en profil, Gaussisk intensitet, det resulterende refraktive intensitet profil bliver funktionelt en linse5. Strålen fokuserer selv som det udbreder, hvilket resulterer i en smal og intens glødetråd af mindre end 100 µm radius hvis lille størrelse er vedligeholdt af en dynamisk balance mellem klassisk diffraktion, Kerr selvstændige fokus og defocusing på grund af plasma generation13.
Med femtosekund laser filamenter, kan intensiteter størrelsesordenen 1013 W/cm2 leveres til mål på afstande af mange meter med kommercielt tilgængelige femtosekund pippede puls forstærkere. Således kan mange eksperimenter, som tidligere krævede stramme fokusering betingelser og mål meget tæt på en linse af høj numerisk blænde nu gøres på afstand mere typisk for remote sensing applikationer. Intensiteter meget højere end denne grænse er dog ikke let muligt med filamentation, som strålen tendens til at bryde op i flere filamenter, hvor hvert enkelte glødetråden er nær den kritisk strømniveau for selvstændige fokuserer13.
Mange programmer er muligt. Vi præsenterer en protokol primært gælder for billeddannelse og spektroskopi af fjerntliggende mål ved hjælp af en femtosekund laser glødetråd scannet over målet overflade. Opsætningen af eksperimenterende er vist i figur 1.
Metoden præsenteret ovenfor er et laboratorium protokol for brugen af høj intensitet laserlys leveret på klassisk genstridig afstande. Af de mange mulige anvendelser af sådanne lys – biler, FIBS, THz stråling, photoacoustics, superradiance, osv. – mange programmer kan levere oplysninger om overflade materialeegenskaber. Femtosekund laser filamenter med sub classical diffraktion begrænset spot størrelse tillader brug af disse teknikker, mens scanning overfladen på grundlag af punkt for punkt. Denne protokol er en ideel prøveanlæg for udviklingen af sådanne teknikker.
Det mest kritiske aspekt af protokollen er at generere laser filamentation. For at generere stabile laser filamentation, kritisk laser intensitet er et par 1013 W/cm2 og fastspændt intensiteten er omkring 1.4×1014 W/cm2 målt i eksperimentet16. Der er ingen laser filamentation når intensiteten er enten høj eller lav. Hvis intensiteten er for høj, medium kan være ioniseret kraftigt på omdrejningspunkt og en laser induceret break-down vil ske. En lys gnist i stedet for en laser filamentation vil blive overholdt. I så fald dæmpe magt eller bruge en linse med en længere brændvidde. Omvendt, hvis magt er lav (ingen plasma generation er observeret), øge magt eller bruge en linse med kort brændvidde. Desuden, i begge tilfælde, det er værd at justere pippe for at hjælpe til at danne en laser filamentation.
Denne scanning teknik er generelt bedre egnet til laboratoriebrug og proof-of-concept i stedet for felt indsættelse siden remote sensing i feltet generelt ikke tillader fine oversættelse-fase kontrol af målet under undersøgelsen. I disse scenarier de samme lab-udviklet laser teknikker kan bruges, men laseren, selv bliver nødt til at blive scannet gennem mere traditionelle beam styretøj metoder som f.eks at ændre retningen af laser-apparatet selv.
Protokollen kunne relativt nemt udvides til at omfatte eksperimenter med flere glødetråde, glødetråd bundter, pumpe-sonde eksperimenter, standoff spektroskopi, bølgeleder og talrige andre muligheder. En af de vigtigste eksperimentelle forhindringer er justeringen af de krydsende fokale steder i hvert enkelt tilfælde, men med denne protokol, dette skal kun gøres én gang. De optiske elementer er fast på plads og prøven, der selv er objektet kun forpligtet til at flytte. Dette kan gøres meget præcist med en oversættelse fase. Yderligere er ændring af denne protokol til at opnå yderligere kontrol over placeringen af glødetråden dannelse afstand, herunder glødetrådens dannelse på hundredvis af meter fra laser, i princippet ved omhyggelig kontrol af output laser puls muligt. Multi-filamentation vil også danne en bølgeleder under formering, som kunne bidrage til at levere et lys i frit rum.
Teledetektion er et bredt emne, der strækker sig over fag som fysik, kemi, ingeniørvidenskab, miljøvidenskab, osv. I det supplerende materiale foreslår vi yderligere remote sensing ordninger herunder stand-off spektroskopi og superradiance ud over filamentation.
The authors have nothing to disclose.
Forskningen er understøttet af kontor af Naval Research (ONR) (pris N00014-16-1-2578 og N00014-16-1-3054), Robert A. Welch Foundation (Grant nr. A-1547, nr. A-1261), Air Force Office for videnskabelig forskning (pris nr. FA9550-18-1-0141), SMART Fellowship og tilskud fra King Abdulaziz City for videnskab og teknologi (KACST).
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 |