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Engineering

Filaments de Laser femtoseconde pour utilisation en imagerie de sous-sous-Diffraction-Limited et de la télédétection

doi: 10.3791/58207 Published: April 25, 2019

Summary

Impulsions femtosecondes de haute intensité de la lumière laser peuvent subir des cycles de Kerr auto-focalisation et plasma défocalisation, propageant un faisceau intense de sous-sous-millimeter-diamètre sur de longues distances. Nous décrivons une technique de production et d’utilisation de ces filaments pour effectuer la distance d’imagerie et de détection au-delà des limites de diffraction classique d’optique linéaire.

Abstract

Sondage question distance avec la lumière laser est une technique omniprésente utilisée dans des circonstances aussi divers que les scanners laser-induced breakdown de spectroscopie et de codes à barres. Dans l’optique classique, l’intensité qui peut être exercée sur une cible distante est limitée par la taille de tache de laser à la distance de la cible. Cette taille de tache a une limite inférieure, déterminée par la limite de diffraction de l’optique classique. Cependant, impulsions de laser femtoseconde amplifié génèrent intensité suffisante pour modifier l’indice de réfraction de l’air ambiant et subir auto-focalisation. Cet effet autoconcentration conduit à la génération des filaments très intense laser qui maintiennent leur intensité et submillimétrique de petit diamètre à des distances bien au-delà de la durée classique de Rayleigh. Telle intensité fournit la capacité d’analyse, imagerie, télédétection et spectroscopie à résolution spatiale améliorée. Nous décrivons une technique pour générer des filaments avec un amplificateur d’impulsions a pépié régénératrice femtoseconde et permettant d’utiliser le filament qui en résulte pour effectuer des mesurages d’imagerie et spectroscopiques à des distances éloignées d’au moins plusieurs mètres.

Introduction

La cohérence spatiale et l’angle de divergence petit correspondant de laser à faisceaux ont conduit à de nombreuses applications en télédétection, y compris mesures chimiquement sensibles de l’atmosphère1,2,3de télémétrie, et spectroscopie distance4. Les mêmes propriétés de cohérence permettent très serré de mise au point de lumière laser qui peut fournir en continu axé intensités de milliards de watts par centimètre carré et pulsées intensités de 1013 watts par centimètre carré sur une période de quelques femtosecondes. Ces intensités extrêmes sont utiles pour de nombreuses applications dont les propriétés optiques non linéaires de la question5, précision optique micro usinage6, caractérisation des matériaux par laser-induced-décomposition spectroscopie,7,8,de la spectroscopie de Raman stimulée9,10et trace détection chimique11.

Cependant, les limites physiques des faisceaux gaussiens fixer des limites à la capacité d’appliquer ces propriétés d’extrême intensité et angle de divergence petit simultanément. Un faisceau laser focalisé à une petite taille de spot divergeront forcément avec un angle plus grand. Classiquement, l’angle de divergence de faisceau est donné par, où λ est que la longueur d’onde et w0 est le rayon de la taille du faisceau. Puisque l’angle de divergence est définie par le diamètre du faisceau laser et la longueur focale f de la lentille de focalisation, et serré mise au point n’est pas possible à une distance de plusieurs mètres comme f devient grande par rapport à d.

Travailleurs dans le domaine de la femtoseconde amplifié impulsions remarqué que cette limitation sur intensité comparativement à la plage a été violée à impulsions femtosecondes de haute intensité, avec graver des marques plus petite que la limite de diffraction qui apparaît sur les cibles à grande distance de la originaire de laser12. Cela s’est avéré pour être en raison de l’effet Kerr auto-focalisation. L’indice de réfraction de l’air est modifiée proportionnellement à l’intensité du champ laser et quand le laser a un profil d’intensité gaussien, le profil d’intensité réfractive qui en résulte devient fonctionnellement une lentille5. Le faisceau se concentre automatique car elle se propage, résultant en un filament étroit et intense de moins de 100 µm de rayon dont la petite taille est maintenue par un équilibre dynamique entre diffraction classique, Kerr auto-focalisation et défocalisation en raison de la génération de plasma13.

Avec des filaments de laser femtoseconde, intensités de l’ordre de 1013 W/cm2 peuvent être livrées à des cibles à une distance de plusieurs mètres avec amplificateurs a pépié-impulsions femtoseconde disponible dans le commerce. Ainsi, beaucoup d’expériences qui nécessaire auparavant des conditions de mise au point serrées et cibles très proche d’une lentille de forte ouverture numérique peut maintenant se faire à distance plus typique des applications de la télédétection. Cependant, intensités bien supérieures à ce seuil ne sont pas facilement possibles avec filamentation, car le faisceau tend à diviser en plusieurs filaments où chaque filament individuel côtoie la puissance critique d’auto-focalisation13.

Nombreuses applications sont possibles. Nous présentons un protocole qui s’applique principalement à l’imagerie et la spectroscopie des cibles distantes à l’aide d’un filament de laser femtoseconde numérisé sur toute la surface de la cible. Le montage expérimental est illustré à la Figure 1.

Protocol

1. création du Filament Laser femtoseconde

  1. Femtoseconde filaments nécessaires à la sortie d’un laser de classe 4, porter une protection oculaire appropriée convenant au particulier laser système utilisé et établir une ligne de faisceau claire et bien définie avec un dump de faisceau approprié. Suivre toutes les procédures de sécurité laser standard.
  2. Commencer avec la sortie d’un laser femtoseconde pulsé, amplifiée dont la puissance instantanée de sortie est supérieure ou égale à la puissance critique de mise au point automatique dans l’air, environ 3,2 GW pour un TI : Sapphire laser à longueur d’onde de 800 nm. Générer l’impulsion amplifiée dans un système d’amplificateur de laser femtoseconde commercial en utilisant le protocole du fabricant. Dans la pratique, d’impulsion énergétique d’environ 1 mJ pour un environ 35 fs pulse est suffisante. Bons résultats sont obtenus avec l’énergie d’impulsion de 2-4 mJ.
  3. Passer le faisceau laser à travers un iris qui pinces légèrement les bords extérieurs. On l’observe pour promouvoir la formation des filaments, étant donné que la formation des filaments est connue pour l’ensemencement par les gradients de sharp et manque d’homogénéité dans le profil d’intensité spatiale du laser.
  4. Passer le faisceau à travers la lentille convergente qui a une focale d’environ 200 cm ou plus, afin que la mise au point géométrique n’est pas si grand qu’autoconcentration est submergé par la rupture d’optique ou de diffraction. Inclinez légèrement la lentille par rapport à la direction de propagation, puisque l’anisotropie supplémentaire est connu pour aider à amorcer le processus autoconcentration.
  5. Observer un filament à un endroit près du foyer géométrique de la lentille. Diagnostiquer filamentation par un halo diffus (plusieurs mm-taille), entourant un noyau lumineux (environ 100 µm-taille). Le halo pourrait être vu sur un livre blanc et les noyaux de lumineux clignotent habituellement.
    1. En outre, observer une caractéristique de phase des processus de modulation dans l’air, qui produit des anneaux lumineux et multicolores emission conique visibles au-delà du filament. Pour les lasers avec les énergies qui sont plusieurs fois le seuil de filamentation, filaments multiples sont observés. Ceux-ci sont visibles en plusieurs points lumineux dans le modèle d’émission conique et peuvent être éliminés par atténuation avant de l’iris.

2. distance de balayage de la Surface de la cible

  1. Mettre une étape de deux axes de translation motorisé capable de déplacer l’échantillon dans le sens transversal à la propagation du faisceau laser sur la table. Veiller à ce que le faisceau laser est incident sur le centre de la scène. Boulonnez le stade sur la table avec des vis. À des fins de laboratoire, il est généralement plus facile de garder le faisceau laser fixé dans l’espace lors de l’analyse de l’objectif au titre de la poutre.
  2. Placer le sable dans un récipient (5 x 25,4 x 25,4 mm). L’épaisseur de sable est d’environ 2 mm.
    1. Mettre les métaux (cuivre, inox, aluminium) sur le dessus de sable (Figure 3 a). Couvrir les métaux avec une autre couche de 2 mm de sable (Figure 3 b).
    2. Avec le laser, mettez le récipient dans le centre de l’étape de traduction. Assurez-vous que le centre du récipient est à l’emplacement où filamentation est observée pour l’étape de 1,1 à 1,5.
  3. Mise en place de contrôle d’ordinateur laser pour tirer un seul coup lorsque électroniquement commandé. Écrire un LabVIEW ou un semblable langage informatique pour effectuer le contrôle. Pour automatisé mono-coup impulsions, un trigger externe est requis.
    1. Connectez un trigger impulsions TTL au port déclencheur externe à l’arrière du module de commande du laser avec un câble BNC. Activez l’option déclencheur externe sur le module de commande du laser. L’impulsion TTL est maintenant déclenché le laser pour tirer un seul coup.
  4. Mettre en place l’appareil capteur approprié. Configurer l’entrée du spectromètre pointant vers le point d’impact.
    1. Utiliser une lentille de coupler la lumière du point d’impact de filamentation dans un spectromètre. Assurez-vous que la distance entre la lentille et la filamentation est sur la longueur focale.
    2. Connectez le spectromètre avec ordinateur à l’aide du câble USB. Utiliser logiciel pour surveiller le spectre. Ouvrez le logiciel et le spectre et puis cliquez sur le bouton exécuter .
    3. Utilisez la souris pour zoomer dans la gamme qui est enregistrée dans l’expérience. Optimiser la position du spectromètre après avoir vu le signal sur l’écran.
    4. D’imagerie de mensurations, remplacez le spectromètre par un tube photomultiplicateur ou une caméra CCD.
  5. Écrire un programme en LabVIEW ou un langage informatique similaire à effectuer une boucle sur les étapes suivantes : incendie d’un seul coup du laser ; recueillir et enregistrer les données qui en résulte ; déplacer l’étape de traduction vers le prochain point de coordonnées.

Representative Results

La résolution de l’images numérisées est optiquement uniquement limitée par la ~ 100 µm. Par conséquent, la motion de phase de traduction devrait être de cet ordre de grandeur ou plus petite pour une résolution maximale. Toutefois, ce niveau de résolution n’est pas nécessaire pour toutes les mesures. Ce protocole a été utilisé pour l' imagerie14 et mesures spectroscopiques15 . La figure 1 montre le montage expérimental. Le pouls est généré dans un système d’amplification. Le pouls est à 1 kHz, 50 fs et centrée à 800 nm. Figure 2 compare un scan d’une cible de logo petit Texas A & M pris avec un laser à la limite de diffraction par rapport à un balayage avec un faisceau de filaments formant. Cette expérience a été réalisée à l’aide de filaments dans l’eau liquide, mais les résultats peuvent être recalibrées pour air en télédétection remote13. La figure 3 montre spatialement résolue en scans spectroscopie induite par le filament de répartition d’objets en métal de composition différente enterré environ deux millimètres sous une couche de sable. Les formes et les compositions des objets métalliques sont apparentes. En général, la filamentation fournit un certain nombre de mécanismes pour les effets de la cible. L’impulsion initiale peut fournir des informations sur la couche de surface, tandis que les impulsions subséquentes peuvent vous renseigner sur les parties plus profondes du matériel par ablation ou l’enlèvement mécanique des couches superficielles.

Figure 1
Figure 1. Le montage expérimental. Le laser est 1 kHz, 50 fs et centrée à 800 nm. Il est porté avec un objectif à atteindre l’intensité (~ 1013 W/cm2) pour former des filaments de laser. L’objet est en sable et mettre sur une étape de traduction. La lumière diffusée est recueillie avec un spectromètre. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2. Sous-sous-diffraction-limited imagerie. Images distantes générées par balayage d’un faisceau laser à travers un logo imprimé de Texas A & M à une distance de plusieurs mètres. un) logo imagé avec faisceau non-le. b) logo imagé avec faisceau le. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3. Le plan chimique. Spectrale et spatiale résolue image d’objets métalliques enfouis sous le sable. un) objets au-dessus de sable. b) objets inférieure à 2,3 ± 0,3 mm de sable. c) image avec la composition du matériau à codes de couleur pour métalliques caractéristiques spectrales. Image composite des objets enterrés avec de l’aluminium (Al), cuivre (Cu) et en acier inoxydable (SS), correspondant à la rouge, de vert et cyan color composantes, respectivement s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Discussion

La méthode présentée ci-dessus est un protocole de laboratoire pour l’utilisation de la lumière de haute intensité laser envoyée à des distances classiquement insolubles. De nombreuses applications possibles de cette lumière – voitures, bobards, rayonnement THz, photo-acoustique, superradiance, etc.. – de nombreuses applications peuvent livrer des informations de point sur les propriétés des matériaux surfaces. Filaments de laser femtoseconde avec taille de tache de sous-sous-classical-diffraction-limited permet l’utilisation de ces techniques pendant le balayage de la surface sur une base de point par point. Ce protocole est un banc d’essai idéal pour le développement de ces techniques.

L’aspect le plus important du protocole est de générer la filamentation laser. Pour générer la filamentation laser stable, l’intensité du laser critique est quelques 1013 W/cm2 et l’intensité fixée autour 1.4x1014 W/cm2 , mesurée à l’expérience de16. Il n’y a aucun filamentation laser lorsque l’intensité est élevée ou faible. Si l’intensité est trop élevée, le milieu pourrait être fortement ionisé au point focal et un effondrement laser induit va arriver. Une étincelle au lieu d’une filamentation laser est observée. Dans ce cas, atténuer la puissance ou utiliser un objectif avec une focale plus longue. À l’inverse, si la puissance est faible (aucune génération de plasma est observée), augmenter la puissance ou utiliser un objectif à courte focale. En outre, dans les deux cas, il convient d’ajuster le chirp afin d’aider à former une filamentation laser.

Cette technique d’analyse est généralement mieux adaptée pour utilisation en laboratoire et proof-of-concept au lieu de déploiement de champ depuis la télécommande dans le champ de détection en général ne permet pas contrôle fine-positionnement de la cible étudiée. Dans ces scénarios, les mêmes techniques de laboratoire-au point laser peuvent être utilisés, mais le laser lui-même devra être analysé par le biais de faisceau plus traditionnel méthodes telles que la modification de l’orientation de l’appareil laser lui-même.

Le protocole pourrait être relativement facilement étendu afin de parvenir à des expériences avec plusieurs filaments, faisceaux de filaments, des expériences de pompe-sonde, spectroscopie standoff, guide d’onde ou nombreuses autres possibilités. Dans chaque cas, un des principaux obstacles expérimentales est l’alignement des taches focales qui se croisent, mais avec ce protocole, cela doivent seulement être fait une fois. Les éléments optiques sont fixés en place et l’échantillon lui-même est le seul objet nécessaire au déplacement. Cela peut être fait très précisément avec une étape de traduction. Modification du présent protocole pour obtenir un contrôle supplémentaire sur l’emplacement de la distance de formation de filaments, y compris la formation des filaments à quelques centaines de mètres du laser, est encore possible en principe par un contrôle minutieux de l’impulsion laser de sortie. Multi-filamentation constituera également un guide d’ondes au cours de la propagation, ce qui permettrait d’offrir une lumière dans l’espace libre.

La télédétection est un sujet vaste qui s’étend sur des disciplines comme la physique, chimie, ingénierie, sciences de l’environnement, etc.. Dans les documents supplémentaires, nous vous proposons des modèles de détection distants supplémentaires, y compris impasse spectroscopie et superradiance outre filamentation.

Disclosures

Aucun conflit d’intérêts ne déclarés.

Acknowledgments

La recherche est soutenue par le bureau de recherche navale (ONR) (prix N00014-16-1-2578 et N00014-16-1-3054), Robert A. Welch Foundation (Grant no. A-1547, no A-1261), la Force aérienne Bureau de la recherche scientifique (prix no FA9550-18-1-0141), SMART Fellowship et une subvention de King Abdulaziz City Science and Technology (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

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References

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Springer, M. M., Strycker, B. D., Wang, K., Sokolov, A. V., Scully, M. O. Femtosecond Laser Filaments for Use in Sub-Diffraction-Limited Imaging and Remote Sensing. J. Vis. Exp. (146), e58207, doi:10.3791/58207 (2019).More

Springer, M. M., Strycker, B. D., Wang, K., Sokolov, A. V., Scully, M. O. Femtosecond Laser Filaments for Use in Sub-Diffraction-Limited Imaging and Remote Sensing. J. Vis. Exp. (146), e58207, doi:10.3791/58207 (2019).

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