Femtosecond lazer filamentler alt Diffraction sınırlı görüntüleme ve Uzaktan algılama kullanmak için

Engineering
 

Summary

Yoğun femtosecond lazer ışık darbeleri uzun mesafelerde yoğun bir alt millimeter çapı ışın yayma Kerr kendi kendine odaklanan ve plazma defocusing, döngüleri uygulayabilir. Biz üretmek ve uzaktan görüntüleme ve doğrusal optik klasik kırınım sınırları ötesinde algılama gerçekleştirmek için bu filamentler kullanarak bir tekniğini tanımlamak.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Lazer ışık uzaktan var sondalama lazer kaynaklı arıza spektroskopisi ve barkod tarayıcılar gibi çeşitli durumlarda kullanılan bir her yerde tekniğidir. Klasik optik bir uzak hedef ayı getirdim yoğunluğu lazer hedef uzaklık nokta boyutu ile sınırlıdır. Bu nokta boyutu klasik optik kırınım sınırına göre belirlenen alt sınır vardır. Ancak, güçlendirilmiş femtosecond lazer bakliyat şiddeti ortam havası kırılma indisini değiştirebilir ve kendi kendine odaklanan geçmesi için yeterli oluşturmak. Bu kendi kendine odaklama etkisi onların yoğunluğu ve küçük alt milimetre çapı boyutu klasik Rayleigh uzunluğu çok ötesinde mesafelerde korumak son derece yoğun lazer filamentler nesil yol açar. Böyle yoğunluk uzaktan tarama, görüntü, algılama ve spektroskopi ile geliştirilmiş uzamsal çözünürlük yeteneği sağlar. Biz bir teknik filamentler femtosecond rejeneratif chirped-nabız amplifikatör ile üretmek için ve en az birkaç metre uzak mesafelerde görüntüleme ve spektroskopik ölçümler yapmak için elde edilen filaman kullanma açıklanmaktadır.

Introduction

Kayma tutarlılık ve kirişler uzaktan algılama içinde çok sayıda uygulama kimyasal olarak duyarlı ölçümler atmosfer1,2, aralığı bulma3de dahil olmak üzere yol açmıştır lazer karşılık gelen küçük sapma açısı, ve uzak spektroskopisi4. Aynı tutarlılık özellikleri çok sıkı sürekli sunabilirsiniz lazer ışığı odaklanarak yoğunluklarda santimetre kare başına Watt milyarlarca odaklı ve 1013 Watt pulsed yoğunluklarda santimetre kare az bir süre içinde sağlar femtoseconds. Böyle aşırı yoğunluklarda madde5, hassas optik mikro işleme6, malzeme karakterizasyonu lazer indüklenen arıza ile doğrusal olmayan optik özelliklerini inceleyerek dahil olmak üzere çok sayıda uygulamaları için yararlıdır spektroskopi7, uyarılmış Raman spektroskopisi8,9,10ve izleme kimyasal tespit11.

Ancak, Gauss ışını fiziksel sınırlamalar üzerinde aşırı yoğunluk ve küçük sapma açısı bu özelliklerini aynı anda uygulama yeteneğini sınırlayabilirsiniz. Bir küçük nokta boyutu için odaklanmış bir lazer ışını mutlaka daha büyük bir açı ile ayırmak. Klasik, ışın sapma açısı, λ dalga boyu ve w0 ışın bel RADIUS olduğunu nerede verilir. Sapma açısı lazer ışını çapını ve odaklama lens odak uzaklığı f tarafından ayarlanır bu yana, ve sıkı odaklama mümkün değildir birçok metre mesafelerde f büyük olur dmodeline kıyasla.

İşçiler güçlendirilmiş femtosecond bakliyat fark yoğunluk aralığı vs. bu sınırlama ile yoğun femtosecond bakliyat için ihlal alanında yanık izleri hedefleri büyük mesafe görünmesini kırınım sınırdan daha küçük Lazer12kaynaklanan. Bu kendi kendine Kerr efekti odaklanan nedeniyle bulundu. Kırılma indisi hava lazer alan yoğunluğu ile orantılı olarak değiştirilir ve lazer bir Gauss yoğunluğu profil varsa, elde edilen refraktif yoğunluğu profili işlevsel bir objektif5olur. Dar ve yoğun filaman olan küçük boyutlu klasik kırınım, Kerr kendi kendine odaklanan ve plazma üretimi13nedeniyle defocusing arasında dinamik bir denge tarafından tutulan az 100 µm yarıçap sonuçlanan yayar gibi ışın kendi kendine odaklanmaktadır.

Femtosecond lazer filamentler ile 1013 W/cm2 sırasına yoğunluklarda birçok metre mesafelerde hedefler için piyasada bulunan femtosecond chirped-nabız amplifikatörler ile teslim edilebilir. Böylece, daha önce sıkı odaklama koşulları ve hedefleri çok yüksek sayısal diyafram lens yakın gerekli birçok deney şimdi uzaktan uzaktan algılama uygulamaları daha tipik yapılabilir. Ancak, ışın içine birden çok filamentler her bireysel filaman13kendi kendine odaklama için kritik güç yakınındaki nerede ayrılmak eğilimi gibi yoğunluklarda bu eşik değerinden daha yüksek filamentation ile kolayca mümkün değildir.

Çok sayıda uygulamaları mümkündür. Biz bir iletişim kuralı öncelikle görüntüleme ve spektroskopi uzak hedefler hedef yüzey üzerinde inceden inceye gözden geçirmek bir femtosecond lazer filament kullanarak uygulanabilir mevcut. Deneysel yapısı şekil 1' de gösterilen.

Protocol

1. Femtosecond lazer Filament oluşturulması

  1. Femtosaniye filamentler sınıf 4 lazer çıktısını gerektiği giyim uygun göz koruması için özellikle puanlarına sistemi kullanılan lazer ve uygun ışın dökümü bir açık ve iyi tanımlanmış ışın çizgiyle kurmak. Tüm standart lazer güvenlik prosedürleri izleyin.
  2. Başlayacak olan ani çıkış güç değerinden büyük veya eşit havada kendi kendine odaklama için kritik güç bir darbeli, güçlendirilmiş femtosecond lazer çıktı ile yaklaşık 3.2 GW bir Ti:Sapphire için lazer 800 nm dalga boyu. Güçlendirilmiş darbe üreticinin iletişim kuralını kullanarak ticari femtosecond lazer amfi sistemde oluşturur. Uygulamada, enerji için yaklaşık 1 MJ darbe bir yaklaşık 35 fs darbe yeterli. 2-4 mJ darbe enerjisi ile iyi sonuçlar elde edilir.
  3. Biraz dış kenarlarını kırpar bir iris lazer ışını geçmek. Bu filaman oluşumu keskin gradyanlar ve lazer mekansal yoğunluk profilde inhomogeneity numaralı seribaşı bilinmektedir beri filaman oluşumu, tanıtmak için görülmektedir.
  4. Yaklaşık 200 cm veya daha büyük bir odak uzaklığı sahiptir, böylece geometrik odaklanan çok büyük o kendi kendine odaklama değildir optik arıza veya kırınım tarafından boğulmuş olduğunu yakınsak mercek ışını geçmek. Ek anizotropi kendi kendine odaklama işleminin tohum yardımcı bilinmektedir beri biraz objektif ile ilgili yayma, yönünü eğ.
  5. Geometrik odak lens yakın bir konumda bir filament gözlemlemek. Filamentation parlak bir (yaklaşık 100 µm-ölçekli) çekirdek çevreleyen bir diffüz (birkaç mm-ölçekli) hale tarafından teşhis. Halo bir beyaz kağıt üzerinde görmüş ve genellikle parlak çekirdek titreşim.
    1. Ayrıca, modülasyon işlemi filaman görünür parlak, çok renkli koni emisyon yüzük üreten havada kendini aşama karakteristik gözlemlemek. Birkaç kez filamentation için eşik olan enerjileri ile lazerler için birden fazla filamentler gözlenir. Bu konik emisyon düzende birden çok parlak noktalar olarak görülebilir ve zayıflama iris önce tarafından elimine edilebilir.

2. uzak hedef yüzey tarama

  1. İki eksenli motorlu çeviri sahne örnek enine yönde lazer ışını yayılması için masanın üzerine hareket yeteneğine koymak. Lazer ışını sahnenin ortasına olay olduğundan emin olun. Vidaları ile masada sahne cıvata. Laboratuvar amaçlar için genellikle lazer ışını uzayda hedefi ışın altında tarama sırasında sabit tutmak kolaydır.
  2. Kum bir kapsayıcı (5 x 25,4 x 25,4 mm) yerleştirin. Kum kalınlığını yaklaşık 2 mm'dir.
    1. Metaller (bakır, paslanmaz çelik, alüminyum) kum (şekil 3a) üst kısmında koymak. Başka bir 2 mm tabaka kum (şekil 3b) ile metaller kapsar.
    2. Lazer ile konteyner çeviri sahne ortasına koymak. Konteyner merkezi nerede filamentation için adım 1,1-1,5 görülmektedir yeri olduğundan emin olun.
  3. Elektronik olarak ne zaman bir tek el ateş için lazer'ın bilgisayar denetimi kurma emretti. Bir LabVIEW veya benzer bir bilgisayar dil denetimi gerçekleştirmek için yazıyorum. Otomatik tek-shot bakliyat için harici bir tetikleyicisi gereklidir.
    1. Bir tetikleyici TTL darbe lazer kontrol modülü bir BNC kablo ile arkasında dış tetikleyici portuna bağlayın. Lazer kontrol modülü olan dış tetikleyici seçeneğini etkinleştirin. TTL darbe şimdi bir tek el ateş lazer tetikler.
  4. Uygun sensör cihazları kadar ayarla. İniş noktasını işaret Spektrometre giriş ayarlayın.
    1. Filamentation etki noktasından bir Spektrometre içine ışık çift için bir lens kullanmak. Objektif ve filamentation arasındaki uzaklığı odak uzaklığı hakkında olduğundan emin olun.
    2. Spektrometre bilgisayar USB kablosu kullanarak bağlayın. Yazılım spektrum izlemek için kullanın. Belgili tanımlık bilgisayar yazılımı ve spektrum açın ve sonra Çalıştır düğmesini tıklatın.
    3. Denemede kaydedilen aralıkta yakınlaştırmak için fareyi kullanın. Spektrometre pozisyon sinyal üstünde belgili tanımlık perde gördükten sonra en iyi duruma getirme.
    4. Ölçümleri görüntüleme için Spektrometre photomultiplier tüp veya bir CCD kamera ile değiştirin.
  5. LabVIEW veya benzer bir bilgisayar dili bir döngü üzerinde aşağıdaki adımları gerçekleştirmek için bir program yazmak: yangın bir tek çekim lazer; toplamak ve elde edilen verileri kaydetmek; Çeviri sahne sonraki koordinat noktaya taşıyın.

Representative Results

Taranan görüntülerin çözünürlüğünü optik sadece ~ 100 µm ile sınırlıdır. Bu nedenle, çeviri sahne hareket bu büyüklük veya maksimum çözünürlük için daha küçük olmalıdır. Ancak, bu çözünürlük seviyesi tüm ölçümler için gerekli değildir. Bu iletişim kuralı görüntüleme14 ve15 spektroskopik ölçümler için kullanılmıştır. Şekil 1 deneysel kurulumu gösterir. Darbe bir amfi sistemde oluşturulur. Nabız 1 kHz, 50 fs ve 800 merkezli nm. Şekil 2 bir lazer filaman oluşturan kiriş ile alınan bir tarama karşılaştırıldığında kırınım sınırı ile çekilen bir küçük Texas A & M logosu hedef taranmasını karşılaştırır. Bu deney filamentler sıvı su kullanarak gerçekleştirilen, ancak sonuçları için uzaktan algılama13havada boyutlandırılan. Şekil 3 gösterir dağınık şekilde çözüldü-filaman kaynaklı arıza spektroskopisi taramaları farklı kompozisyon metal nesnelerin kum yaklaşık iki milimetre bir katmanın altında gömülü. Şekiller ve metal nesnelerin kompozisyonlar are kolaylıkla görülür. Genel olarak, filamentation bir dizi hedef etkileri için mekanizmalar sağlar. Sonraki bakliyat-ebilmek sağlamak bilgi malzeme ablasyon ile daha derin bölümlerini veya yüzey tabakalarının mekanik Temizleme iken ilk darbe yüzey katmanında bilgi sağlayabilirsiniz.

Figure 1
Şekil 1. Deneysel Kur. Lazer 1 kHz, 50 fs ve merkezli 800 nm. Lazer filamentleri oluşturmak için yoğunluğu (~ 1013 W/cm2) ulaşmak için bir lens ile odaklanmıştır. Nesne kum altında ve bir çeviri sahneye koydu. Dağınık ışık bir Spektrometre ile toplanır. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 2
Şekil 2. Alt diffraction sınırlı görüntüleme. Birkaç metre uzaklıkta yazdırılan bir Texas A & M logo arasında bir lazer ışını tarama tarafından oluşturulan uzak görüntüler. a) logo filamented ışını yansıması. b) ile filamented ışın yansıma logo. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 3
Şekil 3. Kimyasal harita. Hayalice ve dağınık şekilde kumun altında gömülü metal nesnelerin görüntü çözüldü. a) nesneleri kum yukarıda. b) nesneleri 2.3 ± 0,3 mm kum altında. c) malzeme kompozisyonu metal spektral özellikleri için renk kodlu görüntüsüyle. Bileşik görüntü gömülü nesneleri ile alüminyum (Al), bakır (Cu) ve paslanmaz çelik (SS) karşılık gelen kırmızı, yeşil ve mavi renk bileşenleri, sırasıyla Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Discussion

Yukarıda sunulan klasik zorlu mesafelerde teslim yüksek yoğunluktaki lazer ışık kullanımı için bir laboratuvar protokol yöntemidir. Çok sayıda mümkün uygulamalarından biri böyle ışık-arabalar, FIBS THz radyasyon, photoacoustics, superradiance, vs. -birçok uygulama yüzey malzeme özellikleri hakkında noktası bilgileri sunabilirsiniz. Femtosecond lazer filamentler alt classical-kırınım sınırlı nokta boyutu ile nokta nokta olarak yüzey tarama sırasında bu tekniklerin kullanımına da izin verir. Bu tür teknikler geliştirilmesi için bir ideal test yatağı protokolüdür.

Protokolü'nün en önemli bir özelliği lazer filamentation oluşturmaktır. İstikrarlı lazer filamentation üretmek için kritik lazer yoğunluğu birkaç 1013 W/cm2 ve klempe yoğunluk 1.4x1014 W/cm2 deneme16ölçülen çevresinde. Yoğunluğu yüksek veya düşük olduğunda hiçbir lazer filamentation var. Yoğunluğu çok yüksek ise, Orta güçlü odak noktada iyonize ve bir lazer indüklenen break-aşağı olacak. Parlak bir kıvılcım lazer filamentation yerine gözlenir. Bu durumda, güç azaltmak veya daha uzun bir odak uzaklığı ile bir lens kullanmak. Tersine, güç ise (hiçbir plazma oluşturma görülmektedir) düşük, gücünü artırmak veya kısa odak uzaklığı ile bir lens kullanmak. Ayrıca, her iki durumda da, bir lazer filamentation oluşturmak için yardımcı olmak için cıvıltı ayarlamak faydalıdır.

Bu tarama tekniği genellikle daha iyi laboratuvar kullanım için uygun ve kanıtı-of-concept alan dağıtım uzaktan beri yerine alanında genellikle algılama hedefi soruşturma altında kontrolünü iyi çeviri-sahne izin vermez. Bu senaryolarda aynı laboratuvar geliştirilen lazer teknikleri kullanılabilir ancak lazer kendisi daha geleneksel ışın lazer cihazları yönünü değiştirme gibi yöntemleri direksiyon ile taranması gerekir.

Protokol nispeten kolayca birden çok filamentler, filaman demetleri, pompa-sonda deneyler, ayrılık spektroskopisi, dalga kılavuzu veya çok sayıda diğer olanakları ile deneyler dahil etmek için uzun olabilir. Her durumda, bir en önemli deneysel engeller kesişen odak noktalar hizalamasını, ancak bu iletişim kuralıyla, bunu yalnızca bir kez yapmanız. Optik elemanları yerde sabit değildir ve örnek kendisi taşımak için gereken tek nesnedir. Bu çok hassas bir çeviri sahne ile yapılabilir. Daha fazla değişiklik filaman oluşumu lazer metre yüzlerce dahil olmak üzere filaman oluşumu mesafe konumunu üzerinde daha fazla denetim elde etmek için bu protokol çıktı laser darbesinin dikkatli kontrolü ile prensipte mümkündür. Multi-filamentation de bir ışık altında boş alan sağlamak için yardımcı olabilir yayma sırasında bir dalga kılavuzu oluşturacak.

Fizik, kimya, mühendislik, gibi disiplinleri kapsayan geniş bir konu olduğunu uzaktan algılama Çevre Bilimi, vb. Ek malzeme ek uzaktan algılama düzenleri stand-off spektroskopisi ve superradiance yanı sıra filamentation de dahil olmak üzere teklif ediyorum.

Disclosures

Hiçbir çıkar çatışmaları ilan etti.

Acknowledgments

Araştırma Office, deniz araştırma (ONR tarafından) (Ödülü N00014-16-1-2578 ve N00014-16-1-3054), desteklenen Robert A. Welch Vakfı (Grant No A-1547, No. A-1261), Hava Kuvvetleri Office bilimsel araştırma (Ödülü No FA9550-18-1-0141), bilim ve Teknoloji (KACST) için akıllı Bursu ve King Abdulaziz City bir hibe.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. Zuber, M. T., et al. The Mars Observer laser altimeter investigation. Journal of Geophysical Research. 97, 7781 (1992).
  4. 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).
  5. Boyd, R. W. Nonlinear Optics. Academic Press. (2008).
  6. Gattass, R. R., Mazur, E. Femtosecond laser micromachining in transparent materials. Nature Photonics. 2, 219-225 (2008).
  7. 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).
  8. Beadie, G., et al. Toward a FAST CARS anthrax detector: coherence preparation using simultaneous femtosecond laser pulses. Optics Communications. 244, 423-430 (2005).
  9. 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).
  10. Pestov, D., et al. Optimizing the laser-pulse configuration for coherent Raman spectroscopy. Science. 316, (5822), 265-268 (2007).
  11. Braun, A. Self-channeling of high-peak-power femtosecond laser pulses in air. Optics Letters. 20, (1), 73-75 (1995).
  12. Couairon, A., Mysyrowicz, A. Femtosecond filamentation in transparent media. Physics Reports. 441, 47-189 (2007).
  13. Wang, K., et al. Remote sub-diffraction imaging with femtosecond laser filaments. Optics Letters. 37, (8), 1343-1345 (2012).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Li, H. L., et al. Critical power and clamping intensity inside a filament in a flame. Optics Express. 24, (4), 3424 (2016).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics