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Engineering

サブ Diffraction 限定画像、リモートセンシング用フェムト秒レーザーのフィラメント

doi: 10.3791/58207 Published: April 25, 2019

Summary

高強度フェムト秒レーザー光は、長距離にわたって強烈なサブ ミリ波径ビームを伝播するカー自己集束、プラズマのデフォーカスのサイクルを受けることができます。生成およびこれらのフィラメントを使用してリモート イメージングおよび線形光学の古典的な回折限界を超えて検出を実行するための手法について述べる。

Abstract

レーザー誘起ブレーク ダウン分光法とバーコード スキャナーなど、さまざまな状況で使用されるユビキタス技術は、レーザー光でリモート問題を調査します。古典光学におけるリモート ターゲットに負担をもたらすことができます強度はターゲットの距離でレーザーのスポット サイズによって制限されます。このスポットのサイズが下限の古典的な光学回折限界によって決まります。ただし、増幅されたフェムト秒レーザー パルスは、周囲の空気の屈折を変更し、自己集束を受けるに十分な強度を生成します。この自己収束効果は、古典的なレイリー長さを越えての距離で小さなサブ ミリ径、強度を維持する高い高強度レーザー フィラメントの生成に します。このような強度は、スキャン、画像、リモートセンシングと強化された空間分解能で分光の機能を提供します。フェムト秒再生チャープ パルス増幅器のフィラメントを生成するため、結果フィラメントを使用して少なくとも数メートルの距離をリモートでイメージングと分光学的測定を実施するための手法について述べる。

Introduction

空間コヒーレンスとレーザー ビームは雰囲気1,2測距3、化学的に敏感な測定を含むリモートセンシング、多数のアプリケーションにつながっているに対応する小さな発散角度リモート分光4。強度 1 平方センチメートル当たりのワット数十億の連続を提供するレーザー光のタイトな焦点焦点を当てたし、1013ワットあたりのパルスの強度は、いくつかの期間にわたってセンチメートルを正方形同じコヒーレンス特性を非常に許可します。フェムトです。このような極端な強度は問題5、精密光学加工6、レーザー誘起ブレーク ダウンによる材料特性の非線形光学特性を調べることを含む多数のアプリケーションのために便利ラマン分光法8,9,10、およびトレース化学的検出11分光法7を刺激しました。

ただし、ガウスビームの物理的な制限は、同時に極端な強度と小さな発散角のこれらのプロパティを適用する能力に制限を設定します。レーザ光を微小スポットに焦点を当ててより大きい角度との乖離の必ずしも。古典的なビーム発散角は、λ は、波長と w0がビーム ウエストの半径によって、与えられます。レーザー ビームの直径と集光レンズの焦点距離fによって発散角が設定されているので、タイト フォーカスは不可能何メートルの距離で、 fが大きくなるとdと比較して。

増幅されたフェムト秒パルスに気づいた範囲の強度に関するこの制限事項は高強度フェムト秒パルスの違反したの分野で労働者焼いてから遠い距離でターゲットに表示される回折限界より小さく、元レーザー12。これが自己中心にカー効果に起因する見つかりました。レーザー場の強さに比例して空気の屈折が変更され、レーザーにガウス強度プロファイルは、結果として得られる屈折強度プロファイルになります機能的レンズ5。梁には、それを伝達するスモール サイズは、古典的な回折、カーは自己集束、プラズマ生成13によるボケの動的バランスによって維持されて未満 100 μ m の半径の狭いと強烈なフィラメントの結果として自己焦点を当てます。

フェムト秒レーザー フィラメントを 1013 W/cm2程度強度が市販フェムト秒チャープ パルス増幅器で何メートルの距離でターゲットに配信されます。したがって、以前タイトな撮影条件と高開口数のレンズに非常に近いターゲットを必要とする多くの実験は、リモートセンシング アプリケーションのより典型的な距離で今行うことが。しかし、このしきい値よりもはるかに高い強度は簡単に粘い、ビームはそれぞれ個々 のフィラメントが自己中心に13の重要な力の近くは複数のフィラメントに分割する傾向があります。

多数のアプリケーションに対応可能です。画像とターゲット表面を走査フェムト秒レーザー フィラメントを使用してリモートのターゲットの分光に主に適用されるプロトコルを提案します。実験装置は図 1に示します。

Protocol

1. フェムト秒レーザー フィラメントの創造

  1. フェムト秒フィラメントは、クラス 4 レーザーの出力を必要とする摩耗の適切な眼の保護、特定の評価を受けていますレーザー システムを使用して、適切なビーム ダンプを明確かつ適切に定義されたビーム ラインを確立します。すべての標準的なレーザーの安全手順に従ってください。
  2. 開始で瞬時出力電力は空気の中心に自己の重要な電力以上パルス増幅され、フェムト秒レーザーの出力と約 3.2 をチタンサファイアレーザーの GW を 800 nm の波長のレーザーします。製造元のプロトコルを使用して商業フェムト秒レーザー増幅システムで増幅されたパルスを生成します。実際には、パルスの約 1 mJ のエネルギーを約 35 fs パルスで十分です。2-4 mJ のパルス エネルギーと好結果が得られました。
  3. 若干外側のエッジをクリップするアイリスを通してレーザー ビームを渡します。それがフィラメント形成のシャープなグラデーションとレーザーの空間分布の不均一性によって種が知られているので、フィラメントの形成を促進するために観察されます。
  4. 約 200 cm 以上の焦点距離を持つ、幾何学的な中心がないので偉大なその自己中心は光分解または回折に圧倒されて収束レンズを通して梁を渡します。種の自己中心のプロセスを支援する追加の異方性が知られているので少し、伝播の方向に関してレンズを傾けます。
  5. レンズの幾何学的な焦点の近くでフィラメントを観察します。明るい (約 100 μ m のサイズの) 核を囲んでびまん性 (数 mm-サイズ) ハローに細線を診断します。ハローは、白い紙の上に見ることができる、明るいコア通常ちらつきます。
    1. さらに、自己位相変調プロセス フィラメントの向こうに見える、明るい、マルチカラーの円錐形発光リングを生成する空気の特性を観察します。数回細線のしきい値であるエネルギーを持つレーザー、複数のフィラメントが観察されます。これらは円錐形の発光パターンで複数の明るいスポットとして表示され、アイリスの前に減衰によって除去することができます。

2. リモート ・ ターゲット サーフェスのスキャン

  1. テーブルの上にレーザー光の伝播に横方向のサンプルを動かすことができる 2 軸モーターを備えられた翻訳段階を置きます。レーザービームは、ステージの中央に、インシデントを確認します。ボルト ネジとテーブルの上のステージ。研究室のために、一般的に梁下でターゲットをスキャンしながら空間に固定されたレーザ光を保つために簡単です。
  2. (5 × 25.4 x 25.4 mm) に容器に砂を入れます。砂の厚さは、2 mm 程度です。
    1. 砂 (図 3 a) の上に金属 (銅、ステンレス、アルミ) を置きます。砂 (図 3 b) の別の 2 mm の層と金属をカバーします。
    2. レーザをオフと翻訳の段階の中心に入れます。手順 1.1 1.5 の細線を観察する場所の場所にコンテナーの中心であることを確認します。
  3. ときに電子的にシングル ショットを発射するレーザーのコンピューター制御のセットアップを指揮しました。コントロールを実行するには、LabVIEW または類似のコンピューター言語を記述します。自動単発パルス、外部トリガーが必要です。
    1. トリガー TTL パルスを BNC ケーブルとレーザー制御モジュールの背面に外部トリガー ポートに接続します。レーザー制御モジュールの外部トリガー オプションを有効にします。TTL パルスは今シングル ショットを発射するレーザーをトリガーします。
  4. 適切なセンサー装置を設定します。着弾点を指している分光器の入り口を設定します。
    1. 分光計に粘い着弾点から光をカップルにレンズを使用します。焦点距離のレンズと細線間の距離であることを確認します。
    2. 分光計を USB ケーブルを使用してコンピューターに接続します。スペクトル監視のソフトウェアを使用します。ソフトウェアとスペクトルを開き、[実行] ボタンをクリックします。
    3. 実験で記録されている範囲をズームインするのには、マウスを使用します。画面上の信号を見た後分光位置を最適化します。
    4. イメージング測定、分光計を光電子増倍管や CCD カメラで置き換えます。
  5. 次の手順で、ループを実行する LabVIEW または類似のコンピューター言語でプログラムを書く: 火; レーザーから単発収集し、その結果のデータを保存次の座標点に平行移動ステージを移動します。

Representative Results

スキャンした画像の解像度は、〜 100 μ m によってだけ光学的に制限されます。したがって、翻訳段階の動きはこの一桁の最大解像度より小さいはずです。ただし、このレベルの解像度はすべての測定のために必要ではありません。このプロトコルは、イメージング1415の分光学的測定の両方のために使用されています。図 1は、実験のセットアップを示しています。パルスは、アンプ システムで生成されます。パルスは 1 kHz、50 fs で、800 を中心とした nm。図 2は、フィラメント形成のビームに実行されたスキャンと比較して回折限界でレーザーで撮影した小さなテキサス A & M ロゴ ターゲットのスキャンを比較します。この実験は、液体の水の中のフィラメントを使用して実行されたが結果のリモート センシング13の空気の尺度があります。図 3ショー空間分解異なる組成の金属オブジェクトのフィラメント誘起ブレイク ダウン分光法によるスキャン埋葬砂の層の下約 2 ミリ。形や金属製の物体の組成が明らかです。一般に、粘い数ターゲットの効果のためのメカニズムを提供します。後のパルスによるアブレーション材料のより深い部分や表面層の機械的な除去に関する情報を提供しながら、最初のパルスは表面層に情報を提供できます。

Figure 1
図 1。実験のセットアップ。レーザーは 1 kHz、50 fs で、800 を中心とした nm。それはレーザーのフィラメントを形成する強度 (10 ~13 W/cm2) に到達するレンズで焦点を当ててください。オブジェクトは砂の下、翻訳舞台上します。散乱光が分光計で収集されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 2
図 2。サブ diffraction 限定イメージングします。数メートルの距離でのテキサス A & M のロゴマークを印刷済経由でレーザ光をスキャンによって生成されたリモート ・ イメージ。a) 非 filamented ビームを用いた撮像ロゴ。b) filamented ビームを用いた撮像ロゴ。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 3
図 3。化学の地図。スペクトルと空間的解決の砂の下に埋もれて金属のオブジェクトのイメージ。a) 砂の上のオブジェクト。b) 2.3 ± 0.3 mm の砂の下にあるオブジェクト。c) 画像は色分けされ金属のスペクトルの特徴、材料の組成を持つ。(Cu)、アルミニウム (Al)、銅と埋設物の合成画像と赤、緑、シアンに対応するステンレス鋼 (SS) カラー コンポーネント、それぞれこの図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Discussion

上記に示したメソッドは、古典的な難治性の距離で配信高強度レーザー光を使用するため研究室プロトコルです。このような光-車、FIBS の多数の可能なアプリケーションのテラヘルツ電磁波放射、photoacoustics、超放射等。-多くのアプリケーションは、表面の材料特性についてはポイントを提供できます。サブ classical 回折限界のスポット サイズとフェムト秒レーザーのフィラメントは、ポイントごとに表面をスキャンしている間これらのテクニックの使用をことができます。このプロトコルは、このような技術の開発のための理想的なテスト ベッドです。

プロトコルの最も重要な側面は、レーザ細線を生成することです。安定したレーザ細線を生成する重要なレーザー強度は数 1013 W/cm2と固定強度は 1.4x1014 W/cm2を実験16単位します。強度が高いまたは低い場合、レーザ細線はありません。強度が高すぎる場合、メディアが焦点位置で強くイオン化し、レーザー誘起ブレーク ダウンが発生します。レーザ細線ではなく明るい火花は観察されます。その場合、力を減衰または長い焦点距離のレンズを使用します。逆に、力が低 (ないプラズマの生成が観察される)、力を高めるか短い焦点距離のレンズを使用します。また、いずれにしても、レーザ細線を形成するのに役立つにチャープを調整する価値があります。

このスキャン技術は実験室の使用のために適して一般的に、リモートからフィールドの配置ではなく概念実証フィールドで一般に感知できません捜査対象の細かい翻訳ステージ制御。これらのシナリオで同じ研究室開発のレーザー技術を使用ことができます、しかし、レーザー自体をより伝統的なビームステア リング レーザー装置自体の向きを変更するなどの方法をスキャンする必要があります。

プロトコルを比較的簡単に拡張して複数のフィラメント、フィラメント束、ポンプ ・ プローブ実験、こう着状態の分光、導波管、または他の多くの可能性と実験を伴う可能性があります。それぞれのケースで実験的ハードルの 1 つは交差する焦点スポットでのアライメントですが、このプロトコルでこの必要が一度だけ行われます。光学要素は固定されています、サンプル自体が移動するために必要な唯一のオブジェクトです。これは、翻訳の段階で非常に正確に行うことができます。さらに、レーザーから数百メートルでフィラメント形成を含むフィラメント形成距離の場所にさらに制御を達成するためにこのプロトコルの変更は出力レーザー パルスの注意深い制御が原理的に可能です。マルチ フィラメント現象も空き領域の光を助けることができる伝搬中に導波路が形成されます。

物理学、化学、工学などの分野にまたがる広範なテーマは、リモートセンシング環境科学等。補足資料スタンドオフ分光と粘いに加えて超放射などを含む追加のリモート検出方式を提案する.

Disclosures

利害の対立が宣言されていません。

Acknowledgments

研究はサポートで、オフィスの海軍研究 (ONR) (賞 N00014-16-1-2578 と N00014-16-1-3054)、ロバート ・ A ・ ウェルチ基金助成号A-1547 号A-1261)、科学研究賞号の空軍オフィスFA9550-18-1-0141)、科学技術 (KACST) 親睦と王 Abdulaziz 市から助成金をスマートします。

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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