Hög intensitet femtosekund pulser av laserljus kan genomgå cykler av Kerr själv fokuserar och plasma oskärpa, förökningsmaterial en intensiv sub-sub-millimeter-diameter-balk över långa avstånd. Vi beskriver en teknik för att generera och använda dessa filament för att utföra remote imaging och avkänning bortom klassisk diffraktion linjär optik.
Sondera remote fråga med laserljus är en allestädes närvarande teknik som används under förhållanden som är så mångskiftande som Laserinducerad uppdelning spektroskopi och streckkod skannrar. I klassisk optik begränsas den intensitet som kan sättas på en fjärransluten mål av spot storleken på lasern på distansera av målet. Denna spot storlek har en nedre gräns bestäms av diffraktionsgränsen för klassisk optik. Däremot generera förstärkt femtosecond laserpulser intensitet räcker för att ändra brytningsindex för den omgivande luften och genomgå själv fokuserar. Denna själv fokuserande effekt leder till generation av mycket intensiv laser filament som upprätthåller sin intensitet och små sub millimeter diameter storlek på avstånd långt utöver den klassiska Rayleigh-längden. Sådan intensitet ger möjlighet för skanning, bildbehandling, fjärranalys, och spektroskopi med ökad rumslig upplösning. Vi beskriver en teknik för att generera filament med en femtosekund regenerativ kvittrade-pulse förstärkare, och för att använda den resulterande glödtråden för att utföra bildhantering och spektroskopiska mätningar på avlägsna avstånd av minst flera meter.
Den rumsliga sammanhang och motsvarande små divergens vinkel av laser balkar har lett till många program i fjärranalys, inklusive kemiskt känsliga mätningar av atmosfär1,2, dosval3, och remote spektroskopi4. Samma konsekvens egenskaper tillåter mycket snäv fokusering av laserljus som kan leverera kontinuerlig fokuserade stödnivåer miljarder watt per kvadratcentimeter och pulsad intensiteter av 1013 watt per kvadrat centimeter under en period av några femtosekunder. Sådana extrema stödnivåer är användbara för många tillämpningar, inklusive att undersöka olinjära optiska egenskaperna för fråga5, precision optiska micromachining6, materialkarakterisering genom laser-inducerad-uppdelning spektroskopi7, stimuleras Raman spektroskopi8,9,10, och spåra kemiska upptäckt11.
De fysiska begränsningarna av Gaussisk balkar anges dock gränser för förmåga att tillämpa dessa egenskaper av extrem intensitet och små divergens vinkel samtidigt. En laserstråle som fokuserade på en liten fläck storlek kommer nödvändigtvis avviker med en större vinkel. Klassiskt, ges beam divergens vinkeln av, där λ är våglängden och w0 är radien av beam midjan. Eftersom divergens vinkeln bestäms av diametern på laserstrålen och brännvidd f fokuserande linsen, och snäva fokus är inte möjligt på ett avstånd av många mätare som f blir stor jämfört med d.
Arbetare i fältet av förstärkta femtosekund pulser märkte att denna begränsning på intensitet vs. utbud överträddes för högintensiva femtosekund pulser, med brännmärken mindre än den gräns som visas på mål på stort avstånd från den med ursprung laser12. Detta befanns vara på grund av Kerr-effekt själv fokuserar. Brytningsindex för luften ändras i proportion till intensiteten i fältet laser, och när lasern har en Gaussisk intensiteten profil, den resulterande brytningsfel intensitet profilen blir funktionellt en lins5. Strålen fokuserar själv som det sprids, vilket resulterar i en smal och intensiv glödtråd för mindre än 100 µm radius vars litenhet upprätthålls av en dynamisk balans mellan klassiskt diffraktion, Kerr själv fokuserar och oskärpa på grund av plasma generation13.
Med femtosecond laser filament, kan stödnivåer storleksordningen 1013 W/cm2 levereras till mål på ett avstånd av många mätare med kommersiellt tillgängliga femtosekund kvittrade-pulse förstärkare. Således kan många experiment som tidigare krävde snäva fokus villkor och mål mycket nära en lins av hög numeriska bländaröppningen nu göras på avstånd mer typiska för remote sensing program. Stödnivåer mycket högre än detta tröskelvärde är dock inte enkelt möjligt med filamentation, eftersom balken tenderar att bryta upp i flera trådar där varje enskild glödtråden är nära den kritiska makten för egen fokusering13.
Talrika applikationer är möjliga. Vi presenterar ett protokoll som primärt gäller för imaging och spektroskopi av avlägsna mål med hjälp av en femtosecond laser glödtråd skannas över mål ytan. Den experimentella setup visas i figur 1.
Metoden presenteras ovan är ett laboratorium protokoll för användning av högintensiva laserljuset levereras på klassiskt svårlösta avstånd. Av de många möjliga tillämpningarna av sådan ljus – bilar, FIBS, THz strålning, photoacoustics, superradiance, etc. – många applikationer kan leverera punkt information om ytan materialegenskaper. Femtosecond laser filament med sub-classical-diffraktion-begränsad strålpunkt tillåter användning av dessa tekniker medan skanning ytan på grundval av punkt för punkt. Detta protokoll är en idealisk försöksområde för utvecklingen av sådana tekniker.
Den mest kritiska faktorn i protokollet är att generera den laser filamentation. För att generera den stabila laser filamentation, kritiska laser intensitet är några 1013 W/cm2 och spänns intensitet är runt 1.4×1014 W/cm2 mätt i experiment16. Det finns ingen laser filamentation när intensiteten är hög eller låg. Om intensiteten är för hög, medium kan vara joniserat starkt på brännpunkten och en laser inducerad break-down kommer att hända. En ljusa gnista i stället för en laser filamentation observeras. I så fall dämpa kraften eller använda ett objektiv med en längre brännvidd. Omvänt, om strömmen är låg (ingen plasma generation observeras), öka kraften eller använda ett objektiv med kort brännvidd. Dessutom i båda fallen är det värt att justera chirp för att hjälpa till att bilda en laser filamentation.
Denna scanning teknik är generellt bättre lämpad för laboratoriebruk och proof-of-concept snarare än fältet distribution sedan remote sensing i fältet allmänt tillåter inte fina översättning-stegs kontroll av målet under utredning. I dessa scenarier samma lab utvecklade lasertekniker kan användas, men lasern själv måste skannas via mer traditionella beam styrning metoder såsom ändra orientering på laser apparaten själv.
Protokollet kunde relativt enkelt utvidgas till att omfatta experiment med flera glödtrådar, glödtråden buntar, pump-probe experiment, standoff spektroskopi, vågledare eller många andra möjligheter. I varje fall en av de stora experimentella hindren är anpassningen av de korsande fokal ställen, men med detta protokoll, detta behöver bara göras en gång. De optiska element är fast på plats och provet själv är det enda föremålet som krävs för att flytta. Detta kan göras mycket exakt med en översättning scen. Ytterligare är ändring av detta protokoll att uppnå ytterligare kontroll över placeringen av glödtrådens bildandet avståndet, inklusive glödtråden bildande på hundratals meter från laser, möjligheten i princip genom noggrann kontroll av output laserpulsen. Multi-filamentation kommer också att utgöra en vågledare under förökningen, som kunde hjälpa till att leverera ett ljus i ledigt utrymme.
Fjärranalys är ett brett område som sträcker sig över discipliner som fysik, kemi, teknik, miljövetenskap, etc. I det kompletterande materialet föreslår vi ytterligare remote sensing system inklusive dödläge spektroskopi och superradiance utöver filamentation.
The authors have nothing to disclose.
Forskningen stöds av den Office of Naval Research (ONR) (Award N00014-16-1-2578 och N00014-16-1-3054), Robert A. Welch Foundation (Grant nr. A-1547, nr. A-1261), Air Force Office vetenskaplig forskning (Award No. FA9550-18-1-0141), SMART gemenskap och ett bidrag från King Abdulaziz City för vetenskap och teknik (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 |