Summary
Hög intensitet femtosekund pulser av laserljus kan genomgå cykler av Kerr själv fokuserar och plasma oskärpa, förökningsmaterial en intensiv sub-sub-millimeter-diameter-balk över långa avstånd. Vi beskriver en teknik för att generera och använda dessa filament för att utföra remote imaging och avkänning bortom klassisk diffraktion linjär optik.
Abstract
Sondera remote fråga med laserljus är en allestädes närvarande teknik som används under förhållanden som är så mångskiftande som Laserinducerad uppdelning spektroskopi och streckkod skannrar. I klassisk optik begränsas den intensitet som kan sättas på en fjärransluten mål av spot storleken på lasern på distansera av målet. Denna spot storlek har en nedre gräns bestäms av diffraktionsgränsen för klassisk optik. Däremot generera förstärkt femtosecond laserpulser intensitet räcker för att ändra brytningsindex för den omgivande luften och genomgå själv fokuserar. Denna själv fokuserande effekt leder till generation av mycket intensiv laser filament som upprätthåller sin intensitet och små sub millimeter diameter storlek på avstånd långt utöver den klassiska Rayleigh-längden. Sådan intensitet ger möjlighet för skanning, bildbehandling, fjärranalys, och spektroskopi med ökad rumslig upplösning. Vi beskriver en teknik för att generera filament med en femtosekund regenerativ kvittrade-pulse förstärkare, och för att använda den resulterande glödtråden för att utföra bildhantering och spektroskopiska mätningar på avlägsna avstånd av minst flera meter.
Introduction
Den rumsliga sammanhang och motsvarande små divergens vinkel av laser balkar har lett till många program i fjärranalys, inklusive kemiskt känsliga mätningar av atmosfär1,2, dosval3, och remote spektroskopi4. Samma konsekvens egenskaper tillåter mycket snäv fokusering av laserljus som kan leverera kontinuerlig fokuserade stödnivåer miljarder watt per kvadratcentimeter och pulsad intensiteter av 1013 watt per kvadrat centimeter under en period av några femtosekunder. Sådana extrema stödnivåer är användbara för många tillämpningar, inklusive att undersöka olinjära optiska egenskaperna för fråga5, precision optiska micromachining6, materialkarakterisering genom laser-inducerad-uppdelning spektroskopi7, stimuleras Raman spektroskopi8,9,10, och spåra kemiska upptäckt11.
De fysiska begränsningarna av Gaussisk balkar anges dock gränser för förmåga att tillämpa dessa egenskaper av extrem intensitet och små divergens vinkel samtidigt. En laserstråle som fokuserade på en liten fläck storlek kommer nödvändigtvis avviker med en större vinkel. Klassiskt, ges beam divergens vinkeln av, där λ är våglängden och w0 är radien av beam midjan. Eftersom divergens vinkeln bestäms av diametern på laserstrålen och brännvidd f fokuserande linsen, och snäva fokus är inte möjligt på ett avstånd av många mätare som f blir stor jämfört med d.
Arbetare i fältet av förstärkta femtosekund pulser märkte att denna begränsning på intensitet vs. utbud överträddes för högintensiva femtosekund pulser, med brännmärken mindre än den gräns som visas på mål på stort avstånd från den med ursprung laser12. Detta befanns vara på grund av Kerr-effekt själv fokuserar. Brytningsindex för luften ändras i proportion till intensiteten i fältet laser, och när lasern har en Gaussisk intensiteten profil, den resulterande brytningsfel intensitet profilen blir funktionellt en lins5. Strålen fokuserar själv som det sprids, vilket resulterar i en smal och intensiv glödtråd för mindre än 100 µm radius vars litenhet upprätthålls av en dynamisk balans mellan klassiskt diffraktion, Kerr själv fokuserar och oskärpa på grund av plasma generation13.
Med femtosecond laser filament, kan stödnivåer storleksordningen 1013 W/cm2 levereras till mål på ett avstånd av många mätare med kommersiellt tillgängliga femtosekund kvittrade-pulse förstärkare. Således kan många experiment som tidigare krävde snäva fokus villkor och mål mycket nära en lins av hög numeriska bländaröppningen nu göras på avstånd mer typiska för remote sensing program. Stödnivåer mycket högre än detta tröskelvärde är dock inte enkelt möjligt med filamentation, eftersom balken tenderar att bryta upp i flera trådar där varje enskild glödtråden är nära den kritiska makten för egen fokusering13.
Talrika applikationer är möjliga. Vi presenterar ett protokoll som primärt gäller för imaging och spektroskopi av avlägsna mål med hjälp av en femtosecond laser glödtråd skannas över mål ytan. Den experimentella setup visas i figur 1.
Protocol
1. skapande av Femtosecond Laser glödtråden
- Femtosekund filament kräver produktionen av en klass 4-laser, Använd lämpligt ögonskydd varmt för särskilda laser system i användning och fastställa en tydlig och väldefinierad ljusstråle linje med en lämplig beam dump. Följ alla standard laser säkerhetsrutiner.
- Börja med produktionen av en pulsad, förstärkta femtosecondlaser vars momentana uteffekten är större än eller lika med kritiska makt för egen fokusering i luft, cirka 3,2 GW för en Ti:Sapphire laser 800 nm våglängd. Generera förstärkt puls i en kommersiell femtosecond laser förstärkare system med tillverkarens protokollet. I praktiken puls energi av ca 1 mJ för ett cirka 35 fs puls är tillräcklig. Bra resultat erhålls med puls energi av 2-4 mJ.
- Passera laserstrålen genom en iris som något klipper ytterkanterna. Det observeras för att främja bildandet av glödtråden, eftersom glödtråden bildandet är känt att dirigeras av skarpa lutningar och inhomogenitet i rumsliga intensitet profilen av laser.
- Passera strålen genom den konvergerande lins som har en brännvidd på ca 200 cm eller större, så att den geometriska fokus inte är så stor att själv fokus är överväldigad av optisk uppdelning eller diffraktion. Något luta linsen med hänsyn till riktningen av förökningen, eftersom ytterligare anisotropi är känd för att hjälpa frö själv fokuserar processen.
- Observera en glödtråd i närheten geometriska fokus linsen. Diagnostisera filamentation genom en diffus (flera-mm-storlek) Gloria kring en ljusa (ungefär 100 µm-storlek) kärna. Halo kunde ses på ett vitt papper och ljusa borrkärnorna flimra vanligtvis.
- Dessutom observera en karakteristisk själv fas modulering processen i luften, som producerar ljusa, flerfärgad koniska utsläpp ringar som är synliga utanför glödtråden. För lasrar med energier som är flera gånger tröskelvärdet för filamentation, observeras flera glödtrådar. Dessa syns som flera ljuspunkter i mönstret koniska utsläpp och kan elimineras genom dämpning innan iris.
2. remote skanning av mål ytan
- Sätta en två-axliga motoriserad översättning scenen kan flytta provet i tvärgående riktning till förökningen av laserstrålen på bordet. Kontrollera att laserstrålen är incident på mitten av scenen. Bult scenen på tabellen med skruvar. För laboratoriet ändamål är det oftast enklare att hålla laserstrålen fast i rymden under skanning målet under balken.
- Placera sand i en behållare (5 x 25,4 x 25,4 mm). Tjockleken på sand är omkring 2 mm.
- Sätta metallerna (koppar, rostfritt stål, aluminium) på toppen av sand (figur 3a). Täcka metallerna med ett 2 mm lager av sand (figur 3b).
- Med laser av, sätta behållaren i mitten av översättning scenen. Se till att mitten av behållaren är på plats där filamentation observeras för steg 1,1-1,5.
- Ställ in laserns dator kontroll att avfyra ett enda skott när elektroniskt befallt. Skriva ett LabVIEW eller en liknande datorspråk för att utföra kontrollen. För automatiserad single shot pulser krävs en extern trigger.
- Anslut en utlösare TTL puls till extern Trigger port på baksidan av modulen laser med en BNC-kabel. Aktivera alternativet extern trigger på modulen laser. TTL pulsen utlöser nu laser för att avfyra ett enda skott.
- Ställ in lämplig sensor apparaten. Ställ in spektrometern pekar till den inverka punkten ingången.
- Använda en lins för att par ljuset från filamentation inverkan pekar in i en spektrometer. Kontrollera att avståndet mellan linsen och filamentation handlar om brännvidden.
- Anslut spektrometern med dator med USB-kabel. Använda programvara för att övervaka spektrumet. Öppna programvaran och spektrumet och klicka på knappen kör .
- Använd musen för att zooma i intervallet som registreras i experimentet. Optimera spektrometer position efter att ha sett signalen på skärmen.
- För imaging mätningar, ersätta spektrometern med ett fotomultiplikatorn röret eller en CCD-kamera.
- Skriva ett program i LabVIEW eller en liknande datorspråk för att utföra en slinga över de följande stegen: avfyra ett enda skott från laser; samla och spara den resulterande data; flytta översättning scenen till nästa koordinat.
Representative Results
Upplösningen av de skannade bilderna är optiskt begränsas endast av den ~ 100 µm. Därför bör förslaget översättning scenen av denna storleksordning eller mindre för maximal upplösning. Denna nivå av upplösning är dock inte nödvändigt för alla mätningar. Detta protokoll har använts för både imaging14 och spektroskopiska15 mätningar. Figur 1 visar den experimentella setup. Pulsen är genererade i ett förstärkaren system. Pulsen är 1 kHz, 50 fs, och centrerad på 800 nm. I diagram 2 jämförs en genomsökning av en liten Texas A & M logotyp mål tas med en laser på diffraktionsgränsen jämfört med en genomsökning som tagits med en glödtråd-bilda balk. Detta experiment utfördes med hjälp av filament i flytande vatten, men resultaten kan skalas om för air remote sensing13. Figur 3 visar löst rumsligt-filament-inducerad uppdelning spektroskopi skanningar av metallföremål av olika sammansättning begravd cirka två millimeter under ett lager av sand. Former och sammansättningar av metallföremål är uppenbara. I allmänhet ger filamentation ett antal mekanismer för effekter. Den första pulsen kan ge information om ytskiktet, medan efterföljande pulser kan ge information om djupare delar av materialet genom ablation eller mekanisk borttagning av ytskikten.
Figur 1. Den experimentella setup. Lasern är 1 kHz, 50 fs, och centrerad på 800 nm. Det är inriktat med en lins för att nå intensiteten (~ 1013 W/cm2) för att bilda laser filament. Objektet är under sanden och sätta på en översättning scen. Det spridda ljuset samlas med en spektrometer. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2. Sub-diffraction-begränsad imaging. Fjärrbilder som genereras genom att skanna en laserstråle över en tryckt Texas A & M logotyp på ett avstånd av flera meter. (a) logotyp avbildats med icke-filamented beam. (b) logotyp avbildats med filamented beam. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3. Kemisk karta. Spektralt och rumsligt löst bild av metallföremål begravd under sand. (a) objekt ovanför sanden. (b) objekt nedan 2.3 ± 0,3 mm sand. (c) bild med materialsammansättning färgkodade till metall spektrala funktioner. Sammansatt bild av begravda objekten med aluminium (Al), koppar (Cu) och rostfritt stål (SS) motsvarar de röda, gröna och cyan färg komponenter, respektive vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Discussion
Metoden presenteras ovan är ett laboratorium protokoll för användning av högintensiva laserljuset levereras på klassiskt svårlösta avstånd. Av de många möjliga tillämpningarna av sådan ljus – bilar, FIBS, THz strålning, photoacoustics, superradiance, etc. – många applikationer kan leverera punkt information om ytan materialegenskaper. Femtosecond laser filament med sub-classical-diffraktion-begränsad strålpunkt tillåter användning av dessa tekniker medan skanning ytan på grundval av punkt för punkt. Detta protokoll är en idealisk försöksområde för utvecklingen av sådana tekniker.
Den mest kritiska faktorn i protokollet är att generera den laser filamentation. För att generera den stabila laser filamentation, kritiska laser intensitet är några 1013 W/cm2 och spänns intensitet är runt 1.4x1014 W/cm2 mätt i experiment16. Det finns ingen laser filamentation när intensiteten är hög eller låg. Om intensiteten är för hög, medium kan vara joniserat starkt på brännpunkten och en laser inducerad break-down kommer att hända. En ljusa gnista i stället för en laser filamentation observeras. I så fall dämpa kraften eller använda ett objektiv med en längre brännvidd. Omvänt, om strömmen är låg (ingen plasma generation observeras), öka kraften eller använda ett objektiv med kort brännvidd. Dessutom i båda fallen är det värt att justera chirp för att hjälpa till att bilda en laser filamentation.
Denna scanning teknik är generellt bättre lämpad för laboratoriebruk och proof-of-concept snarare än fältet distribution sedan remote sensing i fältet allmänt tillåter inte fina översättning-stegs kontroll av målet under utredning. I dessa scenarier samma lab utvecklade lasertekniker kan användas, men lasern själv måste skannas via mer traditionella beam styrning metoder såsom ändra orientering på laser apparaten själv.
Protokollet kunde relativt enkelt utvidgas till att omfatta experiment med flera glödtrådar, glödtråden buntar, pump-probe experiment, standoff spektroskopi, vågledare eller många andra möjligheter. I varje fall en av de stora experimentella hindren är anpassningen av de korsande fokal ställen, men med detta protokoll, detta behöver bara göras en gång. De optiska element är fast på plats och provet själv är det enda föremålet som krävs för att flytta. Detta kan göras mycket exakt med en översättning scen. Ytterligare är ändring av detta protokoll att uppnå ytterligare kontroll över placeringen av glödtrådens bildandet avståndet, inklusive glödtråden bildande på hundratals meter från laser, möjligheten i princip genom noggrann kontroll av output laserpulsen. Multi-filamentation kommer också att utgöra en vågledare under förökningen, som kunde hjälpa till att leverera ett ljus i ledigt utrymme.
Fjärranalys är ett brett område som sträcker sig över discipliner som fysik, kemi, teknik, miljövetenskap, etc. I det kompletterande materialet föreslår vi ytterligare remote sensing system inklusive dödläge spektroskopi och superradiance utöver filamentation.
Disclosures
Inga intressekonflikter förklarade.
Acknowledgments
Forskningen stöds av den Office of Naval Research (ONR) (Award N00014-16-1-2578 och N00014-16-1-3054), Robert A. Welch Foundation (Grant nr. A-1547, nr. A-1261), Air Force Office vetenskaplig forskning (Award No. FA9550-18-1-0141), SMART gemenskap och ett bidrag från King Abdulaziz City för vetenskap och teknik (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).
