Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
1. oprettelse af femtosekund Laser glødetråd
- Da femtosekund filamenter kræver output af en klasse 4 laser, slid passende øjenbeskyttelse normeret til særlige laser system i brug og etablere en klar og veldefineret beam linje med en passende beam dump. Følg alle standard laser sikkerhedsprocedurer.
- Begynde med output af en pulserende, forstærkede femtosekund laser hvis øjeblikkelige udgangseffekt er større end eller lig med den kritisk strømniveau for selvstændige fokusering i luften omkring 3.2 GW for en Ti:Sapphire laser på 800 nm bølgelængde. Generere den forstærkede puls i en kommerciel femtosekund laser forstærker system ved hjælp af producentens protokol. I praksis, puls energi af omkring 1 mJ for en ca 35 fs puls er tilstrækkelig. Der opnås gode resultater med puls energi af 2-4 mJ.
- Passere laserstråle gennem en iris, der lidt klip yderkanten. Det bemærkes, for at fremme glødetrådens dannelse, da glødetråden dannelse er kendt for at være seedet af skarpe gradienter og uensartethed i profilen rumlige intensiteten af laser.
- Passere stråle gennem de konvergerende linse, der har en brændvidde på ca. 200 cm eller større, således at de geometriske fokusering ikke er så store, at selvstændige fokus er overvældet af optiske opdeling eller diffraktion. Lidt tilt linse med hensyn til retning af formering, da yderligere anisotropy er kendt for at hjælpe frø selvstændige fokuserer processen.
- Observere en glødetråd på en beliggenhed nær den geometriske fokus af linsen. Diagnosticere filamentation af en diffus (flere-mm-størrelse) glorie omkring en lyse (ca 100 µm-størrelse) kerne. Halo kunne ses på en hvidbog og de lyse kerner flimre normalt.
- Desuden observere en karakteristisk selvstændig fase modulation proces i luften, som producerer lyse, multi-farvede konisk emission ringe, der er synlige ud over glødetråden. For lasere med energier, som er flere gange tærskel for filamentation, er flere filamenter observeret. Disse kan ses som flere lyspunkter i konisk emission mønster, og kan elimineres ved dæmpning før iris.
2. Fjern Scanning af Target overflade
- Sætte en to-akse motoriseret oversættelse fase i stand til at flytte prøven i den tværgående retning for udbredelse af laserstrålen på bordet. Sikre, at laserstrålen er hændelse på midten af scenen. Bolt scenen på bordet med skruer. Henblik på laboratoriet er det generelt lettere at holde laserstrålen fast i rummet under scanning mål under bjælken.
- Placer sandet i en beholder (5 mm x 25,4 mm x 25,4 mm). Tykkelsen af sand er ca 2 mm.
- Sætte metaller (kobber, rustfrit stål, aluminium) på toppen af sandet (figur 3a). Dækning af metal med en anden 2 mm lag af sand (figur 3b).
- Med laser off sætte beholderen i midten af den oversættelse fase. Sørg for at beholderen ligger på det sted, hvor filamentation er observeret for trin 1.1-1.5.
- Oprettet den laser computer kontrol til at affyre et eneste skud når elektronisk befalet. Skrive en LabVIEW eller en lignende computersprog for at udføre kontrol. For automatiseret single shot pulser kræves en ekstern udløseren.
- Tilslut en udløser TTL puls til eksterne udløser-porten på bagsiden af laser kontrolmodul med et BNC-kablet. Aktiver indstillingen ekstern udløseren på laser-kontrolmodulet. TTL puls vil nu udløse laser for at affyre et eneste skud.
- Oprette passende sensor apparater. Opsætning af indgangen til spektrometeret peger på virkninger punkt.
- Bruge en linse til at par lyset fra filamentation indvirkning punkt i et spektrometer. Sørg for, at afstanden mellem linsen og filamentation handler om brændvidden.
- Tilslut spektrometeret med computer via USB-kabel. Brug software til at overvåge spektret. Åbn softwaren og spektrum, og klik derefter på knappen Kør .
- Brug musen til at zoome ind på det område, der registreres i eksperimentet. Optimere spektrometer holdning efter at have set signalet på skærmen.
- Imaging målinger, du udskifte spektrometeret med en photomultiplier tube eller et CCD kamera.
- Skrive et program i LabVIEW eller en lignende computersprog til at udføre en løkke over følgende trin: brand en enkelt skud fra laseren; indsamle og gemme den resulterende data; flytte den oversættelse fase til den næste koordinere punkt.
Representative Results
Opløsningen af de scannede billeder er begrænset optisk kun af ~ 100 µm. Oversættelse scenen bevægelse bør derfor, af denne størrelsesorden eller mindre maksimal opløsning. Dette niveau i opløsning er imidlertid ikke nødvendigt for alle målinger. Denne protokol er blevet brugt til både imaging14 og spektroskopiske15 målinger. Figur 1 viser den eksperimentelle setup. Pulsen er genereret i en forstærker system. Pulsen er 1 kHz, 50 fs, og centreret på 800 nm. Figur 2 sammenlignes en scanning af en lille Texas A & M logo målet taget med en laser diffraktion grænse i forhold til en scanning, taget med en glødetråd-dannende stråle. Dette eksperiment blev udført ved hjælp af filamenter i flydende vand, men resultaterne kan være reskaleres for luft i remote sensing13. Figur 3 viser løst rumligt-glødetråd-induceret opdeling spektroskopi scanninger af metal objekter af forskellig sammensætning begravet cirka to millimeter under et lag af sand. Figurer og kompositioner af metal objekter er synlige. I almindelighed, giver filamentation en række mekanismer for target effekter. Den første puls kan give oplysninger om overflade lag, mens efterfølgende pulser kan give oplysninger om dybere dele af materiale gennem ablation eller mekanisk fjernelse af overflade lag.
Figur 1. Opsætningen af eksperimenterende. Laseren er 1 kHz, 50 fs, og centreret på 800 nm. Det er fokuseret med en linse at nå intensitet (~ 1013 W/cm2) for at danne laser filamenter. Objektet er under sand og sætte på en oversættelse scene. Det spredte lys er indsamlet med et spektrometer. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2. Sub diffraction limited imaging. Remote billeder genereret ved at scanne en laserstråle på tværs af en trykt Texas A & M logo i en afstand på flere meter. a) logo afbildet med ikke-filamented stråle. b) logo afbildet med filamented stråle. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3. Den kemiske kort. Spektralt og rumligt løst billede af metalgenstande begravet under sand. a) objekter over sandet. b) objekter under 2,3 ± 0,3 mm af sand. c) billede med materialets sammensætning farvekodede til metal spektrale egenskaber. Sammensat billede af de begravede objekter med aluminium (Al), kobber (Cu), og rustfrit stål (SS) svarer til de røde, grønne og cyan farve komponenter, henholdsvis venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Discussion
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 1.4x1014 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.
Disclosures
Ingen interessekonflikter erklæret.
Acknowledgments
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).
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).
