Femtoseconde Laser filamenten voor gebruik in Sub-Diffraction-Limited Imaging en Remote Sensing

Engineering
 

Summary

Femtoseconde van de hoge intensiteit pulsen van laserlicht kunnen ondergaan cycli van Kerr zelf gericht en plasma defocusing, teeltmateriaal van een intens sub-millimeter-diameter lichtbundel over lange afstanden. Beschrijven we een techniek voor het genereren en het gebruik van deze gloeidraden voor het uitvoeren van externe imaging en sensing buiten de grenzen van de klassieke diffractie van lineaire optica.

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

Indringende externe zaak met laserlicht is een alomtegenwoordige techniek die gebruikt wordt in omstandigheden zo divers als laser-geïnduceerde verdeling spectroscopie en barcode scanners. In de klassieke optica, wordt de intensiteit, die kan worden uitgeoefend op een externe doelstelling beperkt door de plek grootte van de laser op afstand voor het doel. Deze plek grootte heeft een ondergrens bepaald door de limiet van de diffractie van klassieke optica. Versterkte femtoseconde laserpulsen genereren echter intensiteit voldoende te wijzigen van de brekingsindex van de omgevingslucht en ondergaan zelf gericht. Dit zelf gericht effect leidt tot de generatie van zeer intense laser filamenten die hun intensiteit en kleine sub millimeter diameter grootte op afstanden veel verder dan de klassieke Rayleigh-lengte behouden. Deze intensiteit biedt de mogelijkheid van externe scannen, imaging, sensing en spectroscopie met verbeterde ruimtelijke resolutie. Beschrijven we een techniek voor het genereren van filamenten met een femtoseconde regeneratieve tjilpte-pulse versterker, en voor het gebruik van de resulterende gloeidraad uit te voeren van beeldvorming en spectroscopische metingen op externe afstanden van ten minste enkele meters.

Introduction

De ruimtelijke samenhang en de overeenkomstige kleine divergentie hoek van laser balken hebben geleid tot talrijke toepassingen in teledetectie, met inbegrip van chemisch-gevoelige metingen van de sfeer1,2, verkennende3, en externe spectroscopie4. Dezelfde coherentie eigenschappen toestaan zeer strak gericht van laserlicht die continu kan leveren gericht intensiteiten van miljarden watt per vierkante centimeter en gepulseerde intensiteiten van 1013 watt per vierkante centimeter over een periode van een paar femtosecondes. Dergelijke extreme intensiteiten zijn handig voor tal van toepassingen met inbegrip van behandeling van de niet-lineaire optische eigenschappen van kwestie5, precisie optische Microbewerking6, karakterisering van de materialen door middel van laser-geïnduceerde-verdeling spectroscopie7, gestimuleerd Raman spectroscopie8,9,10, en trace chemische detectie11.

De fysieke beperkingen van Gauss balken wordt echter grenzen gesteld aan de mogelijkheid deze eigenschappen van extreme intensiteit en kleine divergentie hoek gelijktijdig toegepast. Een laserstraal gericht op een kleine plek grootte zal noodzakelijkerwijs wijken met een grotere hoek. Klassiek, wordt de stralingshoek divergentie gegeven door, waar is λ dat de golflengte en w0 is de straal van de lichtbundel taille. Aangezien de divergentie hoek wordt bepaald door de diameter van de laserstraal en de brandpuntsafstand f van de focus lens, en strak gericht is niet mogelijk op afstanden van vele meters zoals f groot wordt in vergelijking met d.

Werknemers op het gebied van versterkte femtoseconde pulsen gemerkt dat deze beperking op intensiteit vs. bereik voor hoge intensiteit femtoseconde pulsen, werd geschonden met branden merken kleiner is dan de limiet van de diffractie verschijnen op doelen op grote afstand van de van oorsprong laser12. Dit bleek te zijn toe te schrijven aan de Kerr-effect zelf gericht. De brekingsindex van de lucht wordt gewijzigd in verhouding tot de intensiteit van de laser-veld, en wanneer de laser een Gaussiaanse intensiteit-profiel heeft, de resulterende refractieve intensiteit profiel wordt functioneel een lens-5. De lichtbundel zelf richt zich het doorgegeven, wat resulteert in een smalle en intense gloeidraad voor minder dan 100 µm radius waarvan de kleine grootte wordt onderhouden door een dynamisch evenwicht tussen klassieke diffractie, Kerr zelf gericht en defocusing als gevolg van plasma generatie13.

Met femtoseconde laser filamenten, kunnen intensiteiten op voorschrift 1013 W/cm2 worden afgeleverd bij doelen op afstanden van vele meters met verkrijgbare femtoseconde tjilpte-pulse versterkers. Dus, veel experimenten die voorheen strak gericht voorwaarden en doelen zeer dicht bij een lens van hoge numerieke diafragma vereist kunnen nu worden gedaan op afstand meer typisch voor aardobservatie toepassingen. Intensiteit veel hoger dan deze drempel zijn echter niet gemakkelijk mogelijk met filamentation, als de lichtbundel de neiging om op te splitsen in meerdere draden waar elke individuele gloeidraad in de buurt van de kritiek energieniveau is voor zelf scherpstellen13.

Vele toepassingen zijn mogelijk. We presenteren een protocol dat voornamelijk toepassing op beeldvorming en spectroscopie van externe doelstellingen met behulp van een femtoseconde laser gloeidraad gescand over het oppervlak van de doelgroep. De experimentele opzet is afgebeeld in Figuur 1.

Protocol

1. verwezenlijking van de gloeidraad van de Laser femtoseconde

  1. Aangezien femtoseconde filamenten vereisen de output van een klasse 4 laser, slijtage passende oogbescherming gewaardeerd voor de bijzondere laser systeem in gebruik en vaststellen van een duidelijke en welomschreven beam-lijn met een passende bundel dump. Volg alle standaard laser veiligheidsprocedures.
  2. Beginnen met de output van een gepulseerde, versterkte femtoseconde laser waarvan momentane uitgangsvermogen is groter dan of gelijk aan de kritiek energieniveau voor zelf scherpstellen in lucht, ongeveer 3.2 GW voor een Ti:Sapphire laser met 800 nm golflengte. Maak de versterkte pols in een commerciële femtoseconde laser versterker systeem met behulp van het protocol van de fabrikant. In de praktijk, pulse energie van ongeveer 1 mJ voor een ongeveer 35 fs puls is voldoende. Goede resultaten worden verkregen met pulse energie van 2-4 mJ.
  3. Het doorgeven van de laserstraal door een iris die enigszins clips de buitenranden. Het is in acht genomen ter bevordering van de vorming van de gloeidraad, aangezien gloeidraad vorming is bekend om te worden ontpit door scherpe kleurovergangen en heterogeniteit in het profiel van de ruimtelijke intensiteit van de laser.
  4. Passeren van de lichtbundel door de convergerende lens met een brandpuntsafstand van ongeveer 200 cm of groter, zodat de geometrische gericht niet zo groot dat zelf scherpstellen is is overweldigd door optische verdeling of diffractie. Lichtjes kantelen de lens met betrekking tot de richting van de voortplanting, omdat extra anisotropie is bekend om te helpen met het zaad van het zelf gericht proces.
  5. Observeer een gloeidraad op een locatie in de buurt van het geometrische middelpunt van de lens. Het diagnosticeren van filamentation door een diffuus (verschillende-mm-gerangschikte) halo rond een helder (ongeveer 100 µm-middelgrote) kern. De halo kan worden gezien op een wit papier en de heldere kernen meestal flikkeren.
    1. Daarnaast Observeer een karakteristiek zelf fase modulatie proces in de lucht, die produceert heldere, multi-gekleurde conische uitstoot ringen die zichtbaar buiten van de gloeidraad. Voor lasers met energieën die meerdere malen de drempel voor filamentation, meerdere draden in acht worden genomen. Deze zijn zichtbaar als meerdere heldere vlekken in het patroon van de conische emissie, en kunnen worden opgeheven door demping voor de iris.

2. externe scannen van de oppervlakte van Target

  1. Een twee-as gemotoriseerde vertaling fase staat van het verplaatsen van het monster in de dwarse richting mag de voortplanting van de laserstraal op de tafel plaatsen Ervoor zorgen dat de laserstraal incident op het midden van het podium. Bolt het podium op de tabel met schroeven. Voor laboratorium doeleinden is algemeen het makkelijker om te houden van de laserstraal vast in de ruimte tijdens het scannen van de doelstelling uit hoofde van de lichtbundel.
  2. Schakel zand in een container (5 x 25,4 x 25,4 mm). De dikte van zand is ongeveer 2 mm.
    1. Zet de metalen (koper, roestvrij staal, aluminium) op de bovenkant van zand (Figuur 3a). Dekking van de metalen met een andere 2 mm laag zand (Figuur 3b).
    2. Met de laser uit, zet u de container in het midden van het podium van de vertaling. Zorg ervoor dat het midden van de container op de locatie waar filamentation wordt waargenomen voor stap 1.1-1.5.
  3. Instellen van de laser computer controle aan het vuur van een enkel schot wanneer elektronisch het bevel over. Schrijf een LabVIEW of een soortgelijke computertaal uit te voeren van het besturingselement. Voor geautomatiseerde één-schot peulvruchten is een externe trigger vereist.
    1. Een trigger TTL-puls verbinden met de externe Trigger-poort op de achterkant van de laser-controlemodule met een BNC-kabel. Schakel de optie externe trigger op de laser-controlemodule. De TTL-puls zal nu leiden tot de laser brand een enkel schot.
  4. Instellen van de juiste sensor-apparatuur. Instellen van de ingang van de spectrometer wijzen op het punt van impact.
    1. Gebruik een lens te koppelen van het licht van filamentation effect punt in een spectrometer. Zorg ervoor dat de afstand tussen de lens en de filamentation over de brandpuntsafstand.
    2. Sluit de spectrometer met computer met behulp van de USB-kabel. Gebruik software om te controleren van het spectrum. Open de software en het spectrum, en klik vervolgens op de knop uitvoeren .
    3. Gebruik de muis om te zoomen in het bereik dat is opgenomen in het experiment. Optimaliseer de spectrometer positie na het zien van het signaal op het scherm.
    4. Voor imaging-metingen, vervangen door de spectrometer een fotomultiplicator of een CCD-camera.
  5. Een programma schrijven in LabVIEW of een soortgelijke computertaal voor het uitvoeren van een lus over de volgende stappen uit: brand een single van de laser shot; verzamelen en opslaan van de resulterende gegevens; de fase van de vertaling naar het volgende coördinaat punt verplaatsen.

Representative Results

De resolutie van de gescande afbeeldingen wordt optisch alleen beperkt door de ~ 100 µm. Daarom moet de vertaling fase motie van deze orde van grootte of kleiner voor maximale resolutie. Dit niveau van resolutie is echter niet noodzakelijk voor alle maten. Dit protocol is gebruikt voor zowel imaging14 en spectroscopische15 metingen. Figuur 1 toont de experimentele opzet. De pols wordt gegenereerd in een versterker systeem. De pols is 1 kHz, 50 fs, en gecentreerd op 800 nm. Figuur 2 vergelijkt een scan van een kleine Texas A & M logo doel genomen met een laser op de grens van de diffractie in vergelijking met een scan genomen met een gloeidraad-vormende lichtbundel. Dit experiment werd uitgevoerd met behulp van filamenten in vloeibaar water, maar de resultaten voor lucht in remote sensing13schaal gebracht kunnen worden weglating. Figuur 3 toont ruimtelijk-opgelost filament-geïnduceerde verdeling spectroscopie scans van metalen voorwerpen van verschillende samenstelling begraven ongeveer twee millimeter onder een laag zand. De vormen en composities van de metalen voorwerpen zijn duidelijk zichtbaar. In het algemeen biedt de filamentation een aantal mechanismen voor target effecten. De eerste puls kan informatie verschaffen over de bovenlaag, terwijl latere pulsen informatie over de diepere gedeelten van het materiaal door middel van ablatie of mechanische verwijdering van de oppervlakte lagen geven kunnen.

Figure 1
Figuur 1. De experimentele opzet. De laser is 1 kHz, 50 fs, en gecentreerd op 800 nm. Het is gericht met een lens te bereiken de intensiteit (~ 1013 W/cm2) laser filamenten vormen. Het object is onder zand en op een vertaling podium. Het verstrooide licht is verzameld met een spectrometer. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 2
Figuur 2. Sub-diffraction-limited imaging. Externe afbeeldingen gegenereerd door het scannen van een laserstraal over een gedrukte Texas A & M-logo op een afstand van enkele meters. a) logo image gemaakt met niet-filamented lichtbundel. b) logo image gemaakt met filamented lichtbundel. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 3
Figuur 3. De kaart van de chemische. Spectraal en ruimtelijk beeld van metalen voorwerpen bedolven onder zand opgelost. a) objecten boven zand. b) objecten onder 2.3 ± 0,3 mm van zand. c) afbeelding met materiaalsamenstelling vergelijkende tot metalen spectrale eigenschappen. Composietbeeld van de begraven objecten met aluminium (Al), koper (Cu), en roestvrij staal (SS) overeenkomt met de rood, groen en cyaan kleur onderdelen, respectievelijk Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Discussion

De methode hierboven is een laboratorium protocol voor het gebruik van hoge intensiteit laserlicht geleverd op klassiek hardnekkige afstanden. Van de vele mogelijke toepassingen van dergelijke licht – auto's, LIEGT, THz straling, photoacoustics, superradiance, enz. – vele toepassingen kunnen leveren informatie over oppervlakte eigenschappen van het materiaal. Femtoseconde laser filamenten met sub-classical diffractie-beperkte plek grootte maakt gebruik van deze technieken tijdens het scannen van het oppervlak op basis van de punt-voor-punt. Dit protocol is een ideale proefbank voor de ontwikkeling van dergelijke technieken.

Het meest kritieke aspect van het protocol is het genereren van de laser filamentation. Voor het genereren van de stabiele laser-filamentation, is de intensiteit van de kritische laser een paar 1013 W/cm2 en de geklemd intensiteit is rond 1.4x1014 W/cm2 gemeten in de experiment16. Er is geen laser filamentation wanneer de intensiteit hoog of laag. Als de intensiteit te hoog is, het medium kan worden geïoniseerd sterk in het brandpunt en een break-down van de laser geïnduceerde zal gebeuren. Een heldere vonk in plaats van een laser-filamentation zal worden waargenomen. In dat geval verzachten van de macht, of gebruik maken van een lens met een langere brandpuntsafstand. Omgekeerd, als de macht is laag (geen generatie plasma wordt waargenomen), Verhoog het vermogen of gebruik een lens met een korte brandpuntsafstand. Bovendien, in beide gevallen loont het om aan te passen van de Tjilpen om te vormen van een laser filamentation.

Dit scannen techniek is over het algemeen beter geschikt voor laboratoriumgebruik en proof-of-concept in plaats van veld implementatie sinds remote sensing in het veld over het algemeen kan geen fijne vertaling-fase controle van het doel onderzochte. In deze scenario's dezelfde laser lab ontwikkelde technieken kunnen worden gebruikt, maar de laser zelf zal moeten worden gescand via traditionelere lichtbundel besturing methoden zoals het wijzigen van de afdrukstand van de laser apparatuur zelf.

Het protocol kan relatief eenvoudig worden uitgebreid te betrekken van experimenten met meerdere filamenten, filament bundels, pomp-sonde experimenten, standoff spectroscopie, waveguide of tal van andere mogelijkheden. In elk geval een van de grote experimentele hindernissen is de uitlijning van de kruisende focal plekken, maar met dit protocol, dit moet alleen worden gedaan eenmaal. De optische elementen vast op zijn plaats en het monster zelf is het enige object vereist om te bewegen. Dit kan gedaan worden heel precies met een etappe van de vertaling. Verdere kan wijziging van dit protocol om verdere controle over de locatie van de gloeidraad vorming afstand, met inbegrip van de gloeidraad vorming op honderden meters van de laser, in principe door de zorgvuldige controle van de uitvoer laser puls. Multi-filamentation maakt ook een golfgeleider tijdens de voortplanting, die zouden kunnen helpen om een licht in vrije ruimte.

Teledetectie is een breed onderwerp dat disciplines zoals natuurkunde, scheikunde, techniek omspant, Milieukunde, enz. In het aanvullend materiaal, stellen wij voor extra remote sensing regelingen, met inbegrip van stand-off spectroscopie en superradiance naast filamentation.

Disclosures

Geen belangenconflicten verklaard.

Acknowledgments

Het onderzoek wordt ondersteund door de Office of Naval Research (ONR) (Award N00014-16-1-2578 en N00014-16-1-3054), Robert A. Welch Foundation (Grant nr. A-1547, nr. A-1261), Air Force Office voor wetenschappelijk onderzoek (Award nr. FA9550-18-1-0141), SMART Fellowship en een subsidie van King Abdulaziz City voor wetenschap en technologie (KACST).

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