Høy intensitet femtosecond pulser av laserlys kan gjennomgå sykluser av Kerr selv fokus og plasma defocusing, spre en intens sub-millimeter-diameter bjelke over lange avstander. Vi beskriver en teknikk for å generere og bruke disse filamenter for å utføre ekstern imaging og sensing utover klassisk Diffraksjon grensene for lineær optikk.
Verifiserer ekstern saken med laserlys er en allestedsnærværende teknikken brukes i tilfeller så forskjellige som laser-indusert sammenbrudd spektroskopi og Strekkode skannere. I klassisk optikk, er intensiteten som kan bringes til å bære på eksterne mål begrenset av størrelsen på laser på avstand av målet. Denne størrelsen har en nedre grense bestemmes av Diffraksjon grensen av klassisk optikk. Men generere forsterket femtosecond laser pulser intensitet tilstrekkelig til å endre brytningsindeks i luften og gjennomgå selv fokus. Denne selv fokus effekten fører til generering av svært intens laser filamenter som opprettholde sin intensitet og små sub millimeter diameter størrelsen på avstander godt utover klassisk Rayleigh lengden. Slike intensitet gir mulighet for ekstern skanning, bildebehandling, sensing og spektroskopi med forbedret romlig oppløsning. Vi beskriver en teknikk for å generere filamenter med en femtosecond regenerativ summet-puls forsterker, og bruk av det resulterende filament for å gjennomføre tenkelig og spektroskopiske målinger på ekstern avstand på flere meter.
Romlig samholdet og tilsvarende liten divergens vinkelen av laser bjelker har ført til mange programmer i fjernmåling, inkludert kjemisk-sensitive målinger av atmosfæren1,2, område-finne3, og eksterne spektroskopi4. Egenskapene for samme sammenheng at svært tett fokusering av laserlys som kan levere kontinuerlig fokusert intensiteter av milliarder av watt per kvadratcentimeter og pulserende intensiteter av 1013 watt per kvadrat centimeter over en periode på noen femtoseconds. Slike ekstreme intensiteter er nyttig for mange programmer inkludert undersøke lineære optiske egenskapene til spørsmål5, precision optisk micromachining6, materialer karakterisering gjennom laser-indusert-oversikt spektroskopi7, stimulert Raman spektroskopi8,9,10og trace kjemisk påvisning11.
De fysiske begrensningene for Gaussian bjelker setter imidlertid grenser til å bruke disse egenskapene av ekstreme intensitet og små divergens vinkel samtidig. En laserstråle fokusert på en liten flekk størrelse vil nødvendigvis avviker med en større vinkel. Klassisk, er strålen divergens vinkelen gitt ved, der λ er bølgelengde og w0 er radius av bjelke midjen. Siden divergens vinkelen er satt av diameteren på laserstrålen og brennvidde f av fokus linsen, og tett fokus er ikke mulig i en avstand på mange meter som f blir stor sammenlignet med d.
Arbeidere innen forsterket femtosecond pulser lagt merke til at denne begrensningen på intensitet g. området ble brutt for høy intensitet femtosecond pulser, med brenne merker mindre enn Diffraksjon grensen på mål på stor avstand fra den opprinnelige laser12. Dette ble funnet av Kerr-effekt selv fokus. Brytningsindeks luften er endret til intensiteten av feltet laser, og når laseren har en Gaussian intensitet profil, resulterende refraktiv intensitet profilen blir funksjonelt linsen5. Strålen fokuserer selv som det overfører, noe som resulterer i en smal og intense filament av mindre enn 100 µm radius som liten størrelse vedlikeholdes av en dynamisk balanse mellom klassisk Diffraksjon, Kerr selv fokusere og defocusing på grunn av plasma generasjon13.
Med femtosecond laser filamenter, kan intensitet på 1013 W/cm2 leveres til mål på avstander på mange meter med kommersielt tilgjengelig femtosecond summet-puls forsterkere. Dermed kan mange eksperimenter som tidligere krevde tett fokus forhold og mål nær et objektiv av høy numeriske blenderåpning nå gjøres på avstand mer typisk for eksterne sensing programmer. Intensiteter mye høyere enn denne terskelen er imidlertid ikke lett mulig med filamentation, som strålen pleier å bryte opp i flere filamenter der hvert individuelle filament er nær kritiske makt for fokusering selv13.
Mange programmer er mulig. Vi presenterer en protokoll primært gjelder bildebehandling og spektroskopi av eksterne mål ved å bruke en femtosecond laser filament skannet over målet overflaten. Eksperimentell oppsettet vises i figur 1.
Metoden presentert ovenfor er en laboratorium protokoll for bruk av høy intensitet laserlys levert på klassisk uløselige avstander. Av de mange mulige anvendelser av slike lys-biler, FIBS, THz stråling, photoacoustics, superradiance, etc. -mange programmer kan levere informasjon om overflaten materialegenskaper. Femtosecond laser filamenter med sub-classical-Diffraksjon-begrenset størrelsen tillater bruk av disse teknikkene under skanning overflaten på punkt-til-punkt basis. Denne protokollen er en ideell testen seng for utvikling av slike teknikker.
Det viktigste aspektet av protokollen er å generere laser filamentation. Vil generere stabil laser filamentation, kritisk laser intensiteten er noen 1013 W/cm2 festet intensiteten er rundt 1.4×1014 W/cm2 målt i eksperimentet16. Det er ingen laser filamentation når intensiteten er enten høy eller lav. Hvis intensiteten er for høy, medium kan være ionisert sterkt på fokus og en laser indusert break-ned vil skje. En lysende gnist i stedet for en laser filamentation vil bli observert. I så fall attenuere makt eller bruke en linse med en lengre brennvidde. Omvendt, hvis makt er lav (ikke plasma generasjon er observert), øke kraften eller bruke en linse med kort brennvidde. Dessuten, uansett er det verdt å justere kvitre for å bidra til å danne en laser filamentation.
Denne skanning teknikken er vanligvis bedre egnet til laboratoriebruk og proof-of-concept enn åker oppstillingen siden remote sensing i feltet vanligvis tillater ikke fin oversettelse-trinns kontroll av målet under etterforskning. I disse scenarioene samme lab utviklet laser teknikker kan brukes, men laser selv må søkes gjennom mer tradisjonelle strålen styring metoder som endrer retning på laser apparatet seg.
Protokollen kan relativt lett utvides for å involvere eksperimenter med flere filamenter, filament bunter, pumpe-sonden eksperimenter, standoff spektroskopi, waveguide eller mange andre muligheter. I hvert tilfelle, en av de store eksperimentelle hindrene justeringen av de kryssende fokal flekkene, men med denne protokollen, dette må bare gjøres én gang. De optiske elementene er fast prøven seg er det eneste objektet må flytte. Dette kan gjøres svært presist med en oversettelse scene. Ytterligere er endring av denne protokollen til å oppnå mer kontroll over plasseringen av filament formasjon avstand, inkludert filament formasjon på hundre meter fra laseren, mulig i prinsippet av nøye kontroll av utdata laser pulsen. Multi-filamentation vil også danne en waveguide under forplantning, som kan gi et lys i plass.
Fjernmåling er en bred emne som spenner over fag som fysikk, kjemi, engineering, miljølære, etc. Supplerende materiale foreslår vi flere eksterne sensing ordninger som stand-off spektroskopi og superradiance i tillegg til filamentation.
The authors have nothing to disclose.
Forskningen støttes av den Office av Naval Research (ONR) (Award N00014-16-1-2578 og N00014-16-1-3054), Robert A. Welch Foundation (Grant nr. A-1547, nr. A-1261), Air Force kontoret til vitenskapelig forskning (Award nr. FA9550-18-1-0141), SMART fellesskap og et stipend fra King Abdulaziz City for vitenskap og teknologi (KACST).
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 |