Summary
Высокой интенсивности фемтосекундных импульсов лазерного света могут пройти циклы самофокусировка Керр и расфокусировке плазмы, распространение интенсивных суб-millimeter-диаметр пучка на большие расстояния. Мы опишем технику для создания и использования этих нитей для выполнения удаленных изображений и зондирования за пределы классической дифракции линейной оптики.
Abstract
Зондирование удаленный вопрос с лазерного света является вездесущий техника, используемая в обстоятельствах, таких как лазерно индуцированным разбивка спектроскопии и штрих сканеры. В классической оптике интенсивности, которые могут быть задействованы на удаленной целевой ограничено размером пятно лазера на расстояние от целевого. Этот размер пятна имеет нижнюю границу, определяется дифракционный предел классической оптике. Однако усиленные Фемтосекундных лазерных импульсов генерировать достаточно изменить индекс преломления окружающего воздуха и пройти самофокусировка интенсивности. Этот самостоятельной фокусировки эффект приводит к поколения весьма интенсивного лазерного нитей, которые поддерживают их интенсивности и размер малого вложенные миллиметр диаметра на расстояниях далеко за рамки классической длины Рэлея. Такая интенсивность предоставляет возможность удаленного сканирования, обработки изображений, зондирования и спектроскопии с расширенной пространственным разрешением. Мы описываем метод для генерации нитей с усилителем Фемтосекундный регенеративной щебетала пульс и использование результирующего накаливания для поведения визуализации и Спектроскопические измерения на отдаленных расстояниях по крайней мере несколько метров.
Introduction
Пространственная согласованности и соответствующий угол небольшие расхождения лазерных пучков привели к многочисленных приложений в области дистанционного зондирования, включая химически чувствительных измерений в атмосфере1,2, дальности3, и удаленный спектроскопия4. Те же свойства согласованности позволяют очень туго фокусировать лазерного света, который может доставить непрерывного сосредоточены интенсивности миллиарды ватт на квадратный сантиметр и импульсного света 1013 ватт на квадратный сантиметр в течение нескольких фемтосекунд. Такие экстремальные интенсивности полезны для многих приложений, включая изучение нелинейных оптических свойств материи5, точность оптического микрообработка6, характеризация материалов через лазер индуцированной разбивка спектроскопия7, стимулировали Рамановская спектроскопия8,9,10и трассировки обнаружения химических веществ11.
Однако физические ограничения гауссовых пучков установить ограничения на способность применять эти свойства экстремальных интенсивности и небольшие расхождения угла одновременно. Лазерный луч, сосредоточены на небольшой размер пятна будут обязательно расходятся с больший угол. Классически Угол расхождения луча определяется, где λ является длина волны и w0 радиус талии луча. Поскольку диаметр лазерного луча и фокусным расстоянием f фокусировки объектива, устанавливается угол расхождения, и туго упором возможна не на расстоянии многих метров как f становится большим по сравнению с d.
Работников в области усиливается фемтосекундных импульсов заметил, что это ограничение на интенсивности против диапазона было нарушено для высокой интенсивности фемтосекундных импульсов, с следы ожогов меньше, чем дифракционный предел, появляясь на цели на большом расстоянии от возникая лазерный12. Это было установлено быть вызвано самофокусировка эффект Керра. Преломления воздуха изменяется пропорционально интенсивности лазерного поля, и когда лазер имеет профиль Гаусса интенсивности, в результате профиль преломления света становится функционально объектив5. Луч фокусируется самостоятельно как он передает, что приводит к узким и интенсивным нити менее 100 мкм радиуса, небольшой размер которого поддерживается динамического равновесия среди классических дифракции, самофокусировка Керр и расфокусировке благодаря плазмы поколения13.
С фемтосекундный лазер волокна интенсивности порядка 1013 Вт/см2 может быть доставлен цели на расстоянии многих метров с коммерчески доступных Фемтосекундный щебетала пульс усилители. Таким образом многие эксперименты, которые ранее требовали туго фокусировки условий и задач очень близко к объектив высокого числовая апертура, теперь может быть сделано на расстоянии более типичные применения дистанционного зондирования. Однако интенсивности намного выше, чем этот порог не легко можно с филаментацию, как луч, как правило, разбить на несколько нитей, где каждый индивидуальный накаливания находится вблизи критической мощности для самофокусировка13.
Возможны многочисленные приложения. Мы представляем протокола главным образом применимы к изображений и спектроскопия удаленных целей с помощью фемтосекундный лазер накаливания, проверенных целевой поверхности. Экспериментальная установка показана на рисунке 1.
Protocol
1. Создание фемтосекундный лазер накаливания
- Как Фемтосекундный нитей требуют вывода лазер класса 4, используйте защиту для глаз соответствующую оценку для данного лазерные системы и установить ясные и четко определенные луч линию с соответствующей луч дампа. Следуйте всем стандартных лазерных процедур безопасности.
- Начать с выходом пульсирующий, усиленные фемтосекундный лазер, чьи Мгновенная мощность больше или равно для энергетики критической важности для самофокусировка в воздухе, около 3,2 ГВт для Ti: Sapphire лазерные на длине волны 800 Нм. Генерировать усиливается импульса в коммерческих фемтосекундный лазер усилитель с использованием протокола производителя. На практике, импульсов энергии около 1 МДж для приблизительно 35 ПС импульса является достаточным. Хорошие результаты получаются с энергией импульса МЮ 2-4.
- Передайте лазерный луч через диафрагму, слегка отсекает внешние края. Это наблюдается содействовать накаливания формирования, поскольку формирование нити накала, как известно, порожденный резким градиентов и неоднородности в профиле пространственных интенсивности лазера.
- Передайте луча через сходящихся объектив имеет фокусное расстояние приблизительно 200 см или более, так что геометрические фокусировки не так велика, что самостоятельно фокусировки подавлен оптического пробоя или дифракции. Слегка наклона объектива по направлению распространения, поскольку дополнительные анизотропии, как известно, помочь семян процесс самостоятельного фокусировки.
- Наблюдать за нити на месте рядом с геометрической фокус объектива. Диагностировать филаментацию, диффузный (несколько мм размера) ореолом вокруг ярких ядро (примерно 100 мкм размера). Гало может рассматриваться на белой бумаге и яркие ядер обычно мерцания.
- Кроме того соблюдайте характеристика самостоятельно фазы процесса модуляции в воздухе, который производит яркие, разноцветные конические выбросов кольца, которые видны за пределами нити накала. Для лазеров с энергиями, которые несколько раз порог для филаментацию наблюдаются несколько нитей. Эти видны как несколько ярких пятен в шаблоне конические выбросов и могут быть устранены путем ослабления перед радужкой.
2. удаленное сканирование поверхности целевого
- Положите две оси моторизованных перевод этапе способны перемещения образца в поперечном направлении для распространения лазерного луча на столе. Убедитесь, что лазерный луч инцидентов в центре сцены. Болт сцену в таблице с помощью винтов. Для лабораторных целей как правило, легче держать лазерный луч, фиксированной в пространстве при проверке целевых под луч.
- Место песка в контейнере (5 мм х 25,4 х 25,4 мм). Толщина песка составляет около 2 мм.
- Положите металлов (медь, нержавеющая сталь, алюминий) на верхней части песка (рис. 3a). Покрытия металлов с другой 2 мм слой песка (рис. 3b).
- С лазер откл. Поставьте контейнер в центре стадии перевода. Убедитесь, что центр контейнера находится в месте, где филаментацию наблюдается для шага 1.1-1.5.
- Настройка лазерная ЧПУ огонь одного выстрела при электронном командовал. Напишите LabVIEW или аналогичный язык компьютера для выполнения элемента управления. Для автоматизированного single shot импульсов требуется внешний триггер.
- Подключите триггер TTL импульсов к порту внешнего запуска на задней части лазерный модуль управления с кабелем BNC. Включите параметр Внешнее триггер на лазерный модуль управления. TTL импульсов теперь будет срабатывать лазерный огонь один выстрел.
- Установите соответствующий датчик аппарат. Настройка входа спектрометр, указывая на точке удара.
- Используйте объектив для пара свет от филаментацию воздействия точки в спектрометр. Убедитесь, что расстояние между объективом и филаментацию о Фокусное расстояние.
- Подключите спектрометр с компьютером с помощью кабеля USB. Используйте программное обеспечение для мониторинга спектра. Откройте программное обеспечение и спектра и затем нажмите кнопку выполнить .
- Используйте мышь, чтобы увеличить масштаб в диапазоне, который записывается в эксперименте. Оптимизируйте спектрометр позицию после просмотра сигнала на экране.
- Для визуализации измерений, замените спектрометр фотоэлектронный умножитель трубки или ПЗС-камеры.
- Написать программу в LabVIEW или аналогичный язык компьютера для выполнения цикла через следующие шаги: пожар, один выстрел из лазера; собрать и сохранить полученные данные; Перемещение к следующей точке координат стадии перевода.
Representative Results
Разрешение изображения ограничен оптически только ~ 100 мкм. Таким образом перевод этапе движение должно быть этот порядок или меньше для максимального разрешения. Однако этот уровень разрешения не является необходимым для всех измерений. Этот протокол был использован для визуализации14 и спектроскопические15 измерений. Рисунок 1 показывает экспериментальной установки. Пульс генерируется в системе усилителя. Пульс-1 кГц, 50 fs и сосредоточена на 800 Нм. Рисунок 2 сравнивает сканирования небольшой Техасский A & M логотип цели получения с помощью лазера на дифракционного предела, по сравнению с сканирования с накаливания формирование луча. Этот эксперимент проводился с помощью нитей в жидкой воды, но результаты могут быть масштабированы для воздушного дистанционного зондирования13. Рисунок 3 показывает пространственно решена накаливания индуцированной разбивка спектроскопии сканирование металлических объектов различного состава похоронен около двух миллиметров ниже слой песка. Фигуры и композиции металлических объектов являются очевидными. В общем филаментацию предоставляет ряд механизмов для целевого воздействия. Первоначальный импульс может предоставить информацию о поверхностного слоя, в то время как последующие импульсы могут предоставить информацию о более глубокие части материала через абляции или механическое удаление поверхностных слоев.
Рисунок 1. Экспериментальной установки. Лазер является 1 кГц, 50 fs и сосредоточена на 800 Нм. Она ориентирована с линзой для достижения интенсивность (~ 1013 Вт/см2) сформировать лазер волокна. Объект находится под песком и поставить на сцене перевода. Рассеянный свет собирается с помощью спектрометра. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2. Суб-diffraction-ограниченной imaging. Удаленные изображения, созданные путем сканирования лазерный луч через печатные Texas A & M логотип на расстоянии нескольких метров. ) логотип образы с не filamented пучка. b) логотип образы с filamented лучом. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 3. Химические карта. Спектрально и пространственно решена изображение металлических объектов, засыпан песком. ) объекты выше песка. b) объекты ниже 2,3 ± 0,3 мм песка. c) изображение с состав сырья цветных металлов спектральной функции. Композитные изображения захороненных объектов с алюминия (Al), меди (Cu) и из нержавеющей стали (СС) соответствует красный, зеленый и голубой цвета компонентов, соответственно пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Discussion
Метод, представленный выше это лаборатория протокол для использования высокой интенсивности лазерного света, доставлены на классическом неразрешимыми расстояниях. Из многочисленных возможных применений таких свет – автомобили, ВРАНЬЯ ТГц излучения, фотоакустика, Сверхизлучение, и т.д. – Многие приложения могут доставить точки сведения о поверхностных свойств материалов. Фемтосекундный лазер нити с суб classical-дифракционный пятно размером позволяет использовать эти методы при сканировании поверхности на основе точка за точкой. Этот протокол является идеальным испытательный стенд для разработки таких методов.
Наиболее важным аспектом протокола является создание лазерной филаментацию. Для создания стабильной лазер филаментацию, критических лазерной интенсивности несколько 1013 Вт/см2 и зажимается интенсивность вокруг 1.4x1014 Вт/см2 измеряется в эксперимент16. Существует без лазерных филаментацию, когда интенсивность высоким или низким. Если интенсивность слишком высока, средство может сильно ионизированный в фокальной точке и break-down лазерные индуцированной произойдет. Яркая искра вместо филаментацию лазер будет соблюдаться. В этом случае ослабить власть или использовать объектив с фокусным расстоянием больше. И наоборот Если мощность низкий (не плазмы поколения наблюдается), увеличить мощность или использовать объектив с фокусным расстоянием короткие. Кроме того в любом случае, стоит настроить щебечут, чтобы помочь сформировать лазерной филаментацию.
Эта техника сканирования обычно лучше подходят для использования в лабораторных и доказательства в концепция вместо развертывания поле с дистанционного зондирования в области обычно не позволяют прекрасный перевод этап контроля целевого под следствием. В этих сценариях можно использовать те же методы разработаны лаборатории лазерных, но сам лазер будет иметь для проверки через более традиционные луч, Руководящий методы, такие как изменение ориентации лазерный аппарат сам.
Протокол можно относительно легко расширить привлечь экспериментов с несколько нитей, накаливания связки, насос зонд эксперименты, противостояние спектроскопии, волновода или множество других возможностей. В каждом случае одна из основных трудностей, экспериментальный является выравнивание пересекающихся точек фокуса, но с настоящим Протоколом, это нужно сделать только один раз. Оптические элементы устанавливаются на месте и образец сам является единственным объектом, необходимые для переезда. Это может быть сделано очень точно с стадии перевода. Дальнейшие модификации этого протокола для достижения дальнейшего контроля над расположения нити накала формирования расстояния, включая формирование накаливания на сотни метров от лазера, возможно в принципе путем тщательного контроля вывода лазерного импульса. Multi филаментацию будет также являться волновода во время распространения, которая могла бы помочь доставить свет в свободном пространстве.
Дистанционное зондирование является предметом широкой, охватывающей такие дисциплины, как физика, химия, Машиностроение, наука об окружающей среде, и т.д. В дополнительном материале мы предлагаем дополнительные дистанционного зондирования схемы, включая противостояние спектроскопии и Сверхизлучение в дополнение к филаментацию.
Disclosures
Отсутствие конфликта интересов объявил.
Acknowledgments
Исследования поддерживается путем управления военно-морских исследований (ОНР) (премия N00014-16-1-2578 и N00014-16-1-3054), Роберт а. Уэлч фонд (Грант № A-1547, № A-1261), военно-воздушных сил бюро научных исследований (премия No. FA9550-18-1-0141), смарт-программа стипендий и грантов от короля Абдулазиза города науки и технологии (ЦНТ).
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 |
References
- Kocharocsky, V., et al. Gain-swept superrandiance applied to the stand-off detection of trace impurities in the atmosphere. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 102 (22), 7806-7811 (2005).
- Hemmer\, P., et al. Standoff spectroscopy via remote generation of a backward-propagation laser beam. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108 (8), 3130-3134 (2011).
- Zuber, M. T., et al. The Mars Observer laser altimeter investigation. Journal of Geophysical Research. 97, 7781 (1992).
- Mejean, G., et al. Remote detection and identification of biological aerosols using a femtosecond terawatt lidar system. Applied Physics B: Lasers and Optics. 78 (5), 535-537 (2004).
- Boyd, R. W. Nonlinear Optics. , Academic Press. (2008).
- Gattass, R. R., Mazur, E. Femtosecond laser micromachining in transparent materials. Nature Photonics. 2, 219-225 (2008).
- Tognoni, E., Palleschi, V., Corsi, M., Christoforetti, G. Quantitative micro-analysis by laser-induced breakdown spectroscopy: a review of the experimental approaches. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy. 57 (7), 1115-1130 (2002).
- Beadie, G., et al. Toward a FAST CARS anthrax detector: coherence preparation using simultaneous femtosecond laser pulses. Optics Communications. 244, 423-430 (2005).
- Scully, M. O., et al. FAST CARS: Engineering of a laser spectroscopic technique for rapid identification of bacterial spores. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 99 (17), 10994-11001 (2002).
- Pestov, D., et al. Optimizing the laser-pulse configuration for coherent Raman spectroscopy. Science. 316 (5822), 265-268 (2007).
- Braun, A. Self-channeling of high-peak-power femtosecond laser pulses in air. Optics Letters. 20 (1), 73-75 (1995).
- Couairon, A., Mysyrowicz, A. Femtosecond filamentation in transparent media. Physics Reports. 441, 47-189 (2007).
- Wang, K., et al. Remote sub-diffraction imaging with femtosecond laser filaments. Optics Letters. 37 (8), 1343-1345 (2012).
- Strycker, B. D., Wang, K., Springer, M. D., Sokolov, A. V. Chemical-specific imaging of shallowly buried objects using femtosecond laser pulses. Applied Optics. 52 (20), 4792-4796 (2013).
- Heck, G., Sloss, J., Levis, R. J. Adaptive control of the spatial position of white light filaments in an aqueous solution. Optics Communications. 259 (1), 216-222 (2006).
- Li, H. L., et al. Critical power and clamping intensity inside a filament in a flame. Optics Express. 24 (4), 3424 (2016).
