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Engineering

하위 Diffraction 제한 이미징 및 원격 탐사에 사용 하기 위해 펨 레이저 필 라 멘 트

doi: 10.3791/58207 Published: April 25, 2019

Summary

높은 강도의 펨 펄스 레이저 빛의 긴 거리는 강렬한 하위 millimeter 직경 빔 전파 커 자체 초점 및 플라즈마 defocusing의 사이클을 받을 수 있습니다. 우리는 생성 하 고이 필 라 멘이 트를 사용 하 여 원격 이미징 및 선형 광학의 고아 한 회절 한계를 넘어 감지를 수행 하는 기술을 설명 합니다.

Abstract

원격 문제 레이저 빛을 조사 레이저 유도 내역 분광학, 바코드 스캐너 등 다양 한 상황에서 사용 하는 유비 쿼터 스 기술입니다. 고전 광학, 원격 대상에 곰을 데 려 수 있는 강도 대상의 거리에 레이저의 점 크기에 의해 제한 됩니다. 이 크기는 하한값으로 고전 광학 회절 한계에 의해 결정 됩니다. 그러나, 증폭 된 펨 레이저 펄스는 주변 공기의 굴절률을 수정 하 고 자동 초점을 받아야 하기에 충분 한 강도 생성 합니다. 이 자동 초점 효과 그들의 강도와 클래식 레일리 길이 잘 넘어 거리에 작은 서브 밀리미터 직경 크기를 유지 하는 매우 강렬한 레이저 필 라 멘 트의 세대를 리드. 이러한 강도 원격 검색, 이미징, 감지, 및 향상 된 공간 해상도와 분 광의 기능을 제공 합니다. 펨 재생 근처 울고 펄스 증폭기, 필 라 멘 트를 생성 하 고 결과 필 라 멘 트를 사용 하 여 적어도 몇 미터의 원격 거리에서 영상 및 분 광 측정을 수행 하는 기술을 설명 합니다.

Introduction

공간 일관성과 레이저 광선 분위기1,2, 범위 찾기3, 화학적으로 민감한 측정을 포함 하 여 수많은 응용 프로그램에 원격 탐사 지도의 해당 작은 발산 각도 그리고 원격 분광학4. 동일한 일관성 속성 허용 매우 평방 센티미터 당 수십억의 농도 및 당 1013 와트의 펄스 농도 평방 센티미터 몇 기간 동안 연속 제공할 수 있는 레이저 빛의 초점을 꽉 femtoseconds입니다. 이러한 극단적인 농도 수많은 어플리케이션 문제5, 정밀 광학 미세6, 레이저 유도 붕괴를 통해 재료 특성의 비선형 광학 속성을 검사 하는 데 유용 분광학7, 라만 분광학8,,910및 추적 화학 탐지11자극.

그러나, 가우스 광속의 물리적 한계 극단적인 강도와 작은 발산 각도의 이러한 속성을 동시에 적용 하는 능력에 한계를 설정. 작은 점 크기에 초점을 맞춘 레이저 빔 반드시 더 큰 각으로 갈리는 것 이다. 고전적인, 광속 발산 각에 의해 주어진, 여기서 λ는 파장 및 w0 는 광속 허리의 반경. 레이저 빔 직경과 초점 렌즈의 초점 거리 f 분기 각도 설정 이후, 꽉 초점 불가능 하다 많은 미터의 거리에서 f 되 큰 d에 비해.

증폭 된 펨 펄스와이 제한 범위 대 강도에 강도 높은 펨 펄스에 대 한 위반 했다 발견의 분야에 있는 노동자 화상 자국에서 큰 거리에서 목표물에 회절 한계 보다 작은 원래 레이저12. 이 커 효과 자동 초점 때문에 발견 되었다. 공기의 굴절률은 레이저 분야의 강렬에 비례하여 수정 그리고 레이저는 가우스 강도 프로필, 결과 굴절 강도 프로필 된다 기능 렌즈5. 빔 자체 그것은 전파, 작은 크기는 클래식 회절, 커 자동 초점, 및 플라즈마 세대13인해 defocusing 중 동적 균형에 의해 유지 하는 100 µ m 반지름의 좁고 강렬한 멘 인으로 집중 한다.

펨 레이저 필 라 멘 트와 함께 1013 W/c m2 의 순서 농도 상용 펨 근처 울고 펄스 증폭기와 많은 미터의 거리에서 목표물을 전달 수 있다. 따라서, 많은 실험을 꽉 초점 조건 및 대상 높은 숫자 조리개의 렌즈를 가까이 매우 필요 했던 원격 감지 응용 프로그램의 일반적인 거리에서 지금 할 수 있습니다. 그러나, 광속 각 개별 필 라 멘 트 자체13초점을 위한 중요 한 전원 근처입니다 여러 개의 필 라 멘 트로 헤어 경향으로이 임계값 보다 훨씬 높은 농도 filamentation, 쉽게 가능 하지 않습니다.

수많은 응용 프로그램은 가능 합니다. 선물이 이미징 및 대상 표면 스캔 펨 레이저 필 라 멘 트를 사용 하 여 원격 대상의 분광학에 주로 적용 되는 프로토콜. 실험적인 체제는 그림 1에 표시 됩니다.

Protocol

1입니다. 펨 레이저 필 라 멘 트의 창조

  1. 클래스 4 레이저의 출력 펨 필 라 멘 트에 따라, 착용 적절 한 눈 보호에 대 한 특정 평가 레이저 시스템 사용에서 하 고 적절 한 빔 덤프와 명확 하 고 잘 정의 된 빔 라인을 설정. 모든 표준 레이저 안전 절차를 따르십시오.
  2. 시작 그 순간 출력은 공기에서 자동 초점을 위한 중요 한 파워 보다 크거나 펄스, 증폭 된 펨 레이저의 출력, 약 3.2 GW는 Ti:Sapphire에 대 한 레이저 800 nm 파장에. 제조 업체의 프로토콜을 사용 하 여 상업 펨 레이저 증폭기 시스템에서 증폭 된 펄스를 생성 합니다. 실제로, 펄스에 대 한 약 1 엠 제이의 에너지는 약 35 fs 펄스 충분 하다. 2-4 엠 제이의 펄스 에너지와 좋은 결과 얻을 수 있습니다.
  3. 창포 외부 가장자리를 약간 클립을 통해 서 레이저 광선을 전달 합니다. 그것 때문에 필 라 멘 트 형성 날카로운 그라디언트 및 레이저의 공간적 강도 프로필에 이질성 시드할 수 알려져 있다 필 라 멘 트 형성을 촉진 하는 관찰 된다.
  4. 초점 거리 약 200 cm 이상, 그래서는 기하학적 집중 하는 것은 너무 큰 그 자동 초점 광학 고장 또는 회절에 의해 압도 수렴 렌즈를 통해 광속을 전달 합니다. 이후 추가 이방성 자기 초점 과정 씨앗 수 있도록 알려져 있다 약간의 전파 방향 렌즈 기울기.
  5. 위치는 렌즈의 기하학적 초점 근처에 필 라 멘 트를 관찰 합니다. 확산 (몇 mm-크기) 후광 밝은 (약 100 µ m-크기) 코어 주변에 filamentation를 진단 합니다. 흰 종이에 후광을 볼 수 하 고 밝은 코어 일반적으로 깜박임.
    1. 또한, 자체 생산 하는 필 라 멘 트를 넘어 볼 수 있는 밝은, 다 색 원뿔 방출 반지 공중에 변조 과정 단계 특성 관찰. 여러 번 filamentation에 대 한 임계값을 에너지로 레이저에 대 한 여러 개의 필 라 멘 트 관찰 된다. 이 원뿔 방출 패턴에 여러 개의 밝은 반점으로 볼 수 있습니다 그리고 홍 채 전에 감쇠에 의해 삭제 될 수 있습니다.

2. 원격 대상 표면의 검사

  1. 2-축 동력된 번역 단계 넣어 테이블에 레이저 광선의 전파 샘플 가로 방향으로 이동 가능. 무대의 중심에 레이저 빔 문제 인지 확인 합니다. 나사를 가진 테이블에 무대를 볼트. 목적을 위해 실험실, 레이저 빔 광선 대상을 검색 하는 동안 공간에 고정 유지 하가 일반적으로 쉽습니다.
  2. 컨테이너 (5 m m x 25.4 m m x 25.4 m m)에 모래를 배치 합니다. 모래의 두께 약 2 m m 이다입니다.
    1. 모래 (그림 3a) 위에 금속 (구리, 스테인리스, 알루미늄)을 넣어. 모래 (그림 3b)의 또 다른 2mm 레이어와 금속 커버.
    2. 레이저로 번역 무대의 중심에는 컨테이너를 넣어. 컨테이너의 센터 filamentation 단계 1.1-1.5에 대 한 관찰은 위치에 있는지 확인 합니다.
  3. 싱글 샷 때 전자를 레이저의 컴퓨터 제어 설정 명령. 컨트롤을 수행 하는 LabVIEW 또는 유사한 컴퓨터 언어를 작성 합니다. 자동된 싱글 샷 펄스에 대 한 외부 트리거는 필요 합니다.
    1. TTL 펄스 트리거 BNC 케이블 레이저 제어 모듈의 뒷면에 외부 트리거 포트에 연결 합니다. 레이저 제어 모듈에서 외부 트리거 옵션을 사용 합니다. TTL 펄스 지금 레이저 한 번 화재를 일으킬 것 이다.
  4. 적절 한 센서 장치를 설정 합니다. 임팩트 포인트를 가리키는 계의 입구를 설정 합니다.
    1. 렌즈를 사용 하 여 하는 분석기에 filamentation 충격 지점에서 빛. 렌즈와 filamentation 사이의 거리는 초점에 대 한 있는지 확인 합니다.
    2. 컴퓨터 USB 케이블을 사용 하는 분석기를 연결 합니다. 소프트웨어를 사용 하 여 스펙트럼 모니터링. 소프트웨어 및 스펙트럼을 열고 실행 단추를 클릭 합니다.
    3. 마우스를 사용 하 여 실험에 기록 된 범위 확대. 화면에 신호를 본 후 분석기 위치를 최적화 합니다.
    4. 이미징 측정, 광 전 증폭 관 관 또는 CCD 카메라는 분석기를 교체 합니다.
  5. 다음 단계를 통해 루프를 수행 하는 LabVIEW 또는 유사한 컴퓨터 언어 프로그램을 작성: 단일 레이저;에서 쏜 화재 수집 하 고 저장 결과 데이터; 다음 좌표 지점 번역 단계를 이동 합니다.

Representative Results

스캔 한 이미지의 해상도 광학 ~ 100 µ m에 의해서만 제한 됩니다. 따라서,이 크기 순서 또는 최대 해상도 대 한 작은 번역 단계 모션 이어야 한다. 그러나, 해상도의이 수준은 모든 측정을 위해 필요 하지 않습니다. 이 프로토콜은 이미징1415 분 광 측정에 사용 되었습니다. 그림 1 에서는 실험 설정. 펄스는 증폭기 시스템에서 생성 됩니다. 펄스 1 kHz, 50 fs, 이며 가운데에 800 nm. 그림 2 는 작은 텍사스 A & M 로고 대상의 필 라 멘 트 형성 빔으로 찍은 스캔에 비해 회절 한계에 레이저로 찍은 스캔을 비교 합니다. 이 실험에서 액체 물, 필 라 멘 트를 사용 하 여 수행 하지만 결과 원격 감지13공기 rescaled 수 있습니다. 그림 3 보여 줍 공간적-해결 다른 구성의 금속 물체의 필 라 멘 트 유도 된 고장 분광학 스캔 묻혀 모래 층 아래 약 2 밀리미터. 모양과 금속 물체의 명백 하다. 일반적으로, filamentation는 여러를 대상 효과 대 한 메커니즘을 제공합니다. 후속 펄스 표면 층의 기계적 제거 또는 제거를 통해 자료의 더 깊은 부분에 정보를 제공할 수 있는 동안 초기 펄스 표면 층에 정보를 제공할 수 있습니다.

Figure 1
그림 1입니다. 실험적인 체제. 레이저 1 kHz, 50 fs, 이며 가운데에 800 nm. 그것은 레이저 필 라 멘 트를 강도 (10 ~13 W/c m2)에 도달 하는 렌즈와 초점. 모래 아래 개체 이며 번역 단계에 넣어. 흩어져 빛을 분석기로 수집 됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 2
그림 2입니다. 하위 diffraction 제한 이미징. 원격 이미지 몇 미터의 거리에서 인쇄 된 텍사스 A & M 로고를 통해 레이저 빔을 스캔 하 여 생성 된. a) 로고 비 filamented 빔으로 몇 군데. b) filamented 빔으로 몇 군데 로고입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 3
그림 3입니다. 화학 지도입니다. 괴기 하 게 하 고 공간 해결 모래 아래에 묻혀 있는 금속 물체의 이미지. a) 모래 위에 개체입니다. b) 2.3 ± 0.3 m m의 모래 아래 개체입니다. c) 소재 금속 스펙트럼 기능에 색과 이미지. (Cu), 알루미늄 (Al), 구리 매장된 개체의 합성 이미지와 스테인레스 스틸 (SS)에 해당 하는 빨강, 녹색, 그리고 하늘색 색상 구성 요소 각각 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Discussion

위의 방법은 고전적인 다루기 힘든 거리에서 고 강도 레이저 광의 사용에 대 한 실험실 프로토콜입니다. 이러한 빛-자동차, 거짓말의 수많은 가능한 애플 리 케이 션의 THz 방사, photoacoustics, superradiance, 등등. -많은 응용 표면 소재 속성에 대 한 지점 정보를 제공할 수 있습니다. 펨 서브 classical 회절 제한 자리 크기와 레이저 필 라 멘 트 포인트 기준 표면 스캔 하는 동안 이러한 기술의 사용을 허용 한다. 이 프로토콜은 이러한 기술의 개발을 위한 이상적인 테스트 베드.

레이저 filamentation를 생성 하는 프로토콜의 가장 중요 한 측면이입니다. 안정적인 레이저 filamentation를 생성 하려면 중요 한 레이저 강도 몇 1013 W/c m2 이며 채워 강도 1.4x1014 W/c m2 측정 실험16. 강도 높은 또는 낮은 경우 없는 레이저 filamentation이 있다. 강도 너무 높은 경우에, 매체 초점에 강하게 이온화 수 그리고 레이저 유도 고장을 일어날 것입니다. 레이저 filamentation 대신 밝은 불꽃을 관찰 됩니다. 그 경우에, 힘을 약하게 하거나 더 긴 초점 거리 렌즈를 사용 합니다. 반대로, 힘은 낮은 (플라즈마 생성 되지 않음 관찰), 힘을 증가 또는 짧은 초점 거리와 렌즈를 사용. 또한, 두 경우 모두, 그것은 레이저 filamentation를 형성 하는 데 도움이 짹짹 조정 가치가입니다.

이 스캐닝 기술은 일반적으로 더 나은 적합 실험실 사용 하 고 원격 이후 필드 배포 보다 개념 증명 감지 분야에서 일반적으로 허용 하지 않습니다 조사 대상의 훌륭한 번역 단계 제어. 이러한 시나리오에서 동일한 실험실에서 개발한 레이저 기술을 사용할 수 있습니다, 하지만 레이저 자체 더 전통적인 빔 레이저 장치 자체의 방향을 변경 하는 등 방법을 조 타를 통해 스캔 해야 합니다.

프로토콜 여러 필 라 멘 트, 필 라 멘 트 번들, 펌프-프로브 실험, 지지대 분광학도 파 관, 또는 다른 수많은 가능성으로 실험을 상대적으로 쉽게 연장 될 수 있습니다. 각각의 경우에 주요 실험 장애물 중 하나는 교차 초점 명소의 정렬 하지만이 프로토콜 필요만 이렇게 한 번. 광학 요소 자리에 고정 되 고 자체 샘플은 이동 하는 데 필요한 유일한 개체입니다. 이 번역 단계와 매우 정확 하 게 할 수 있습니다. 더 더 제어할 수백 미터는 레이저에서의 필 라 멘 트 형성을 포함 하 여 필 라 멘 트 형성 거리의 위치를 달성 하기 위해이 프로토콜의 수정 출력 레이저 펄스의 주의 깊은 통제에 의해 원리에서 가능 하다. 멀티-filamentation 또한 여유 공간에 빛을 제공 하는 데 도움이 수 있는 전파 중 한도 파 관을 형성 합니다.

물리학, 화학, 공학, 분야에 걸쳐 광범위 한 주제는 원격 탐사 환경 과학, 등등. 보충 자료에서 추가 원격 감지 제도 스탠드 오프 분광학 및 filamentation 뿐만 아니라 superradiance를 포함 하 여 제안 한다.

Disclosures

관심 없음 충돌 선언.

Acknowledgments

연구는 지원에 의해의 해군 연구소 (ONR) (수상 N00014-16-1-2578, N00014-16-1-3054) 로버트 A. 웰 치 재단 (그랜트. A-1547, 호 A-1261), 과학 연구 (보너스 번호의 공군 사무실 FA9550-18-1-0141), 과학 및 기술 (KACST) 친교와 국왕 Abdulaziz 시에서 부여를 스마트.

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

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