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Engineering

Filamenti di Laser a femtosecondi per Imaging Sub Diffraction-Limited e telerilevamento

doi: 10.3791/58207 Published: April 25, 2019

Summary

Impulsi a femtosecondi ad alta intensità della luce laser possono subire cicli di Kerr auto-messa a fuoco e plasma defocalizzazione, propagando un intenso fascio di sub-millimeter-diametro su lunghe distanze. Descriviamo una tecnica per la generazione e l'utilizzo di questi filamenti per eseguire remote imaging e rilevamento oltre i limiti di diffrazione classica dell'ottica lineare.

Abstract

Sondaggio questione remoto con la luce laser è una tecnica onnipresente utilizzata in circostanze diverse come scanner di codici a barre e spettroscopia ripartizione indotta da laser. In ottica classica, l'intensità che può essere esercitata su un target remoto è limitato dalla dimensione dello spot del laser alla distanza del bersaglio. Questa dimensione dello spot ha un limite inferiore determinato dal limite della diffrazione dell'ottica classica. Tuttavia, impulsi laser a femtosecondi amplificato generano intensità sufficiente per modificare l'indice di rifrazione dell'aria ambiente e sottoposti a auto-messa a fuoco. Questo effetto di auto-messa a fuoco conduce alla generazione dei filamenti laser altamente intensa che mantengono la loro intensità e dimensioni di diametro piccolo sub-millimetrica a distanze ben oltre la classica lunghezza di Rayleigh. Tale intensità fornisce la funzionalità di remote scansione, imaging, rilevamento e spettroscopia con una maggiore risoluzione spaziale. Descriviamo una tecnica per la generazione di filamenti con un amplificatore di impulsi cinguettò rigenerativa a femtosecondi e per l'utilizzo il filamento risultante per condurre misure spettroscopiche e di imaging a remote Distanze di almeno diversi metri.

Introduction

La coerenza spaziale e il corrispondente angolo di piccola divergenza del laser travi hanno portato a numerose applicazioni di telerilevamento, compreso le misure chimicamente sensibili del atmosfera1,2, telemetria3, e spettroscopia remoto4. Le stesse proprietà di coerenza permettono molto stretto di messa a fuoco della luce laser in grado di fornire continuo focalizzata intensità di miliardi di watt per centimetro quadrato e intensità pulsata di 1013 watt per centimetro quadrato per un periodo di pochi femtosecondi. Tale intensità estrema sono utili per numerose applicazioni tra cui esaminando le proprietà ottiche non lineari di materia5, precisione ottica microlavorazioni6, caratterizzazione di materiali tramite laser-indotto-ripartizione spettroscopia7, stimolato Raman spectroscopy8,9,10e traccia chimica rilevazione11.

Tuttavia, le limitazioni fisiche dei Fasci gaussiani impostare limiti per la capacità di applicare queste proprietà di estrema intensità e angolo di divergenza piccolo contemporaneamente. Un raggio laser focalizzato a una dimensione piccola macchia divergeranno necessariamente con un angolo maggiore. Classicamente, l'angolo di divergenza del fascio è data da, dove λ è che la lunghezza d'onda e w0 è il raggio della vita fascio. Poiché l'angolo di divergenza è impostato dal diametro del fascio laser e la lunghezza focale f della lente messa a fuoco, e stretta di messa a fuoco non è possibile a distanza di molti metri come f diventa grande rispetto a d.

Operai nel campo di amplificato femtosecond impulsi notato che questa limitazione sull'intensità vs gamma è stata violata per impulsi a femtosecondi ad alta intensità, con segni di bruciatura inferiore rispetto al limite di diffrazione che appaiono su bersagli a grande distanza dalla originario di laser12. Questo è stato trovato per essere dovuto effetto Kerr auto-messa a fuoco. L'indice di rifrazione dell'aria viene modificato in proporzione l'intensità di campo laser, e quando il laser ha un profilo di intensità gaussiana, il profilo di rifrazione intensità risultante diventa funzionalmente un obiettivo5. Il fascio si auto-concentra in quando si propaga, risultante in un filamento stretto e intenso di meno di 100 µm raggio cui piccole dimensioni sono mantenuto da un equilibrio dinamico tra classica diffrazione, Kerr auto-messa a fuoco e sfocatura dovuta al plasma generazione13.

Con filamenti di laser a femtosecondi, intensità nell'ordine dei 1013 W/cm2 può essere consegnato ai bersagli a distanze di molti metri con amplificatori cinguettò-impulsi a femtosecondi disponibili in commercio. Così, molti esperimenti che in precedenza richiedevano condizioni di messa a fuoco strette e obiettivi molto vicino a un obiettivo di apertura numerica elevata possono ora essere fatto a distanza più tipica delle applicazioni di rilevamento remote. Tuttavia, molto superiore a questa soglia di intensità non sono facilmente possibili con filamentazione, come il fascio tende a rompersi in più filamenti dove ogni singolo filamento è vicino il potere critico per auto-messa a fuoco13.

Numerose applicazioni sono possibili. Vi presentiamo un protocollo principalmente applicabile per l'imaging e spettroscopia di destinazioni remote utilizzando un filamento di laser a femtosecondi analizzato sopra la superficie di destinazione. La messa a punto sperimentale è illustrato nella Figura 1.

Protocol

1. creazione del filamento del Laser a femtosecondi

  1. Come filamenti a femtosecondi richiedono l'output di un laser di classe 4, indossare una protezione appropriata occhio valutata per il particolare sistema in uso laser e stabilire una linea di fascio chiaro e ben definito con un dump di larghezza appropriata. Seguire tutte le procedure di sicurezza di laser standard.
  2. Iniziare con l'uscita di un laser a femtosecondi pulsata, amplificato cui potenza di uscita istantanea è maggiore o uguale a quella critica per auto-messa a fuoco in aria, circa 3,2 GW per un ti laser a 800 Nm. Generare l'impulso amplificato in un sistema di amplificatore del laser a femtosecondi commerciale utilizzando il protocollo del produttore. In pratica, impulsi di energia di circa 1 mJ per un circa 35 fs impulso è sufficiente. Buoni risultati si ottengono con energia di impulso di 2-4 mJ.
  3. Passare il raggio laser attraverso un diaframma ad iride che clips leggermente i bordi esterni. È stato osservato per promuovere la formazione dei filamenti, poiché la formazione dei filamenti è noto per essere seminato da sfumature taglienti e disomogeneità nel profilo spaziale intensità del laser.
  4. Passare il raggio attraverso la lente convergente che ha una lunghezza focale di circa 200 cm o superiore, così che la messa a fuoco geometrico non è così grande che auto-messa a fuoco è sopraffatto dalla frazione ottica o diffrazione. Inclinare leggermente la lente rispetto alla direzione di propagazione, poiché ulteriore anisotropia sono conosciuto per aiutare il processo di auto-messa a fuoco del seme.
  5. Osservare un filamento ad una posizione vicino al centro geometrico della lente. Diagnosticare filamentazione da un alone diffuso (dimensioni diverse mm), che circonda un nucleo luminoso (circa 100 µm-dimensioni). L'aureola potrebbe essere visto su un libro bianco e le anime luminose solitamente sfarfallio.
    1. Inoltre, osservare una caratteristica auto-fase processo di modulazione nell'aria, che produce anelli luminosi, multi-colored emissione conica che sono visibili di là del filamento. Per laser con le energie che sono diverse volte la soglia per la filamentazione, si osservano più filamenti. Questi sono visibili come punti più luminosi nel modello di emissione di forma conica e possono essere eliminati con attenuazione prima l'iride.

2. remoto scansione della superficie del bersaglio

  1. Mettere un traslatore motorizzato a due assi in grado di spostare il campione nella direzione trasversa alla propagazione del fascio laser sul tavolo. Assicurarsi che il raggio laser è incidente al centro del palco. La fase del bullone sul tavolo con le viti. Per scopi di laboratorio, è generalmente più facile da mantenere il raggio laser fissato nello spazio durante la scansione il bersaglio sotto la trave.
  2. Mettere sabbia in un contenitore (5 x 25,4 x 25,4 mm). Lo spessore di sabbia è di circa 2 mm.
    1. Mettere i metalli (rame, acciaio inox, alluminio) sulla cima di sabbia (Figura 3a). Coprire i metalli con un altro strato di 2 mm di sabbia (Figura 3b).
    2. Con il laser spento, mettere il contenitore al centro della fase di traduzione. Assicurarsi che il centro del contenitore è nella posizione dove filamentazione è osservato per passo 1.1-1.5.
  3. Impostare il controllo computerizzato del laser per sparare un singolo colpo quando elettronicamente comandato. Scrivere un LabVIEW o un linguaggio di programmazione simile per eseguire il controllo. Per gli impulsi di colpo singolo automatici, un trigger esterno è richiesto.
    1. Collegare un trigger impulso TTL alla porta sul retro del modulo di controllo laser con un cavo BNC Trigger esterno. Attivare l'opzione di trigger esterno del modulo di controllo laser. L'impulso TTL ora attiverà il laser per sparare un solo colpo.
  4. Impostare l'apparato sensoriale appropriato. Impostare l'ingresso dello spettrometro rivolta verso il punto di impatto.
    1. Utilizzare una lente per accoppiare la luce dal punto di impatto di filamentazione in uno spettrometro. Assicurarsi che la distanza tra la lente e la filamentazione è circa la lunghezza focale.
    2. Collegare lo spettrometro con il computer tramite cavo USB. Utilizzare software per monitorare lo spettro. Aprire il software e lo spettro e fare clic sul pulsante Esegui .
    3. Utilizzare il mouse per ingrandire la gamma che è registrata nell'esperimento. Ottimizzare la posizione di spettrometro dopo aver visto il segnale sullo schermo.
    4. Per misure di imaging, è possibile sostituire lo spettrometro con un tubo di fotomoltiplicatore o una telecamera CCD.
  5. Scrivere un programma in LabVIEW o un linguaggio di programmazione simile a eseguire un ciclo tramite i seguenti passaggi: fuoco un solo colpo dal laser; raccogliere e salvare i dati risultanti; spostare la fase di traduzione verso il prossimo punto di coordinata.

Representative Results

La risoluzione delle immagini acquisite è limitata otticamente solo dai ~ 100 µm. Di conseguenza, il movimento di fase di traduzione dovrebbe essere di questo ordine di grandezza o più piccoli per la massima risoluzione. Tuttavia, questo livello di risoluzione non è necessario per tutte le misurazioni. Questo protocollo è stato usato per formazione immagine14 e misurazioni spettroscopiche15 . La figura 1 Mostra la messa a punto sperimentale. L'impulso viene generato in un sistema di amplificazione. L'impulso è di 1 kHz, 50 fs e centrato a 800 nm. Figura 2 confronta una scansione di un piccolo bersaglio di logo di Texas A & M preso con un laser al limite di diffrazione rispetto ad una scansione eseguita con un fascio che formano filamenti. Questo esperimento è stato eseguito utilizzando filamenti in acqua liquida, ma i risultati possono essere riscalati per aria in remote sensing13. Illustrato nella figura 3 spazialmente-risolto scansioni di spettroscopia di ripartizione indotta da filamento di oggetti metallici di diversa composizione sepolto circa due millimetri di sotto uno strato di sabbia. Le forme e le composizioni degli oggetti metallici sono evidenti. In generale, FILAMENTAZIONE fornisce una serie di meccanismi per gli effetti di destinazione. L'impulso iniziale può fornire informazioni sullo strato di superficie, mentre gli impulsi successivi possono fornire informazioni sulle parti più profonde del materiale attraverso l'ablazione o rimozione meccanica degli strati superficiali.

Figure 1
Figura 1. La messa a punto sperimentale. Il laser è di 1 kHz, 50 fs e centrato a 800 nm. Essa si concentra con un obiettivo da raggiungere l'intensità (~ 1013 W/cm2) per formare filamenti laser. L'oggetto è sotto sabbia e mettere su una fase di traduzione. La luce diffusa è raccolto con uno spettrometro. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2. Sub-diffraction-limited imaging. Immagini remote generate dalla scansione di un raggio laser attraverso un logo stampato di Texas A & M ad una distanza di diversi metri. a) logo imaged con fascio non filamentato. b) logo imaged con fascio filamentato. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3. La mappa di chimica. Spettralmente e spazialmente risolto immagine degli oggetti metallici seppellita sotto sabbia. a) gli oggetti sopra sabbia. b) gli oggetti sotto 2,3 ± 0,3 mm di sabbia. c) immagine con composizione materiale color-coded di metallo caratteristiche spettrali. Immagine composita di oggetti sepolti con alluminio (Al), rame (Cu) e acciaio inossidabile (SS) corrispondente al verde, il rosso e il ciano colore componenti, rispettivamente Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Discussion

Il metodo presentato qui sopra è un protocollo di laboratorio per l'uso di luce ad alta intensità laser consegnato alle distanze classicamente insolubile. Delle numerose possibili applicazioni di tale luce – automobili, FIBS, radiazione THz, photoacoustics, superradiance, ecc. – molte applicazioni in grado di fornire punto informazioni sulle proprietà del materiale superficiale. Filamenti di laser a femtosecondi con sub-classical-diffrazione limitata dimensione dello spot consente utilizzo di queste tecniche durante la scansione della superficie su una base di punto per punto. Questo protocollo è un banco di prova ideale per lo sviluppo di tali tecniche.

L'aspetto più critico del protocollo è quello di generare la filamentazione laser. Per generare la filamentazione stabile del laser, l'intensità del laser critico è di pochi 1013 W/cm2 e l'intensità bloccato è intorno 1.4x1014 W/cm2 misurata in esperimento16. Non c'è nessun filamentazione laser quando l'intensità è alta o bassa. Se l'intensità è troppo elevata, il mezzo potrebbe essere fortemente ionizzato al punto focale e una ripartizione laser indotta avverrà. Una scintilla luminosa invece una filamentazione laser sarà osservata. In tal caso, il potere di attenuare o utilizzare una lente con una lunghezza focale. Al contrario, se la potenza è bassa (nessuna generazione di plasma viene osservato), aumentare la potenza o utilizzare un obiettivo con lunghezza focale corta. Inoltre, in entrambi i casi, vale la pena di regolare il chirp per contribuire a formare una filamentazione laser.

Questa tecnica di scansione in genere è più adatto per uso in laboratorio e proof-of-concept piuttosto che di distribuzione di campo dal telecomando rilevamento nel campo generalmente non consente un controllo fine fase di traduzione del bersaglio sotto inchiesta. In tali scenari le stesse tecniche di laboratorio-sviluppato laser possono essere utilizzate, ma il laser dovrà essere analizzato attraverso il fascio più tradizionale sterzo metodi ad esempio cambiando l'orientamento dell'apparato laser stesso.

Il protocollo potrebbe essere relativamente facilmente esteso per coinvolgere gli esperimenti con filamenti multipli, fasci di filamenti, esperimenti di pompa-sonda, spettroscopia della Colonnetta, guida d'onda o numerose altre possibilità. In ogni caso, uno dei principali ostacoli sperimentali è l'allineamento dei punti focali che si intersecano, ma con questo protocollo, questo bisogno di essere fatto solo una volta. Gli elementi ottici sono fissati in posto e il campione stesso è l'unico oggetto richiesto per spostare. Questo può essere fatto molto proprio con una fase di traduzione. Ulteriore modifica del presente protocollo per ottenere ulteriore controllo sul percorso della distanza filamento formazione, compresa la formazione dei filamenti a centinaia di metri dal laser, è possibile in linea di principio attraverso un attento controllo dell'impulso laser uscita. Multi-filamentazione costituiranno anche una guida d'onda durante la propagazione, che poteva contribuire a fornire una luce nello spazio libero.

Telerilevamento è un tema ampio che si estende su discipline quali fisica, chimica, ingegneria, scienze ambientali, ecc. Il materiale supplementare, ci proponiamo ulteriori schemi di rilevamento remoti incluso stand-off spettroscopia e superradiance oltre a filamentazione.

Disclosures

Conflitti di interesse non dichiarati.

Acknowledgments

La ricerca è sostenuta dall'ufficio del Naval Research (ONR) (premio N00014-16-1-2578 e N00014-16-1-3054), Fondazione di Robert A. Welch (Grant No. A-1547, no. A-1261), Air Force Office della ricerca scientifica (premio No. FA9550-18-1-0141), SMART Fellowship e una sovvenzione da King Abdulaziz City per scienza e tecnologia (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).

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