Femtosekunden-Laser-Filamente für den Einsatz in Sub-Diffraction-Limited Bildgebung und Fernerkundung

Engineering
 

Summary

Hoher Intensität Femtosekunden Laser Lichtimpulse können Zyklen Kerr selbst auszurichten und Plasma Defokussierung, unterziehen, verbreiten einen intensiven Lichtstrahl sub-millimeter-Durchmesser über große Entfernungen. Wir beschreiben eine Technik zur Erzeugung und Verwendung dieser Filamente durchführen remote imaging und spüren die Grenzen klassischer Beugung der linearen Optik.

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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).

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Abstract

Sondieren entfernte Materie mit Laserlicht ist eine allgegenwärtige Technik unter Umständen so vielfältig wie Laser-induced Breakdown Spectroscopy und Barcode-Scanner. In klassischer Optik ist die Intensität, die auf einem remote-Ziel gebracht werden kann durch die Punktgröße des Lasers in der Entfernung des Ziels beschränkt. Dieser spot-Größe hat eine untere Grenze durch die Beugungsgrenze der klassischen Optik bestimmt. Verstärkte Femtosekunden-Laserpulse erzeugen jedoch Intensität ausreicht, um der Brechungsindex der Umgebungsluft zu ändern und selbst mit Schwerpunkt zu unterziehen. Diese selbst Fokussierung führt zu der Generation von hoch intensiven Laser-Fäden, die behalten ihre Intensität und kleinen Sub-Millimeter Durchmesser Größe in einer Entfernung weit über die klassischen Rayleigh-Länge. Solcher Intensität bietet die Möglichkeit des remote scannen, Bildverarbeitung, Sensorik und Spektroskopie mit verbesserten räumlichen Auflösung. Wir beschreiben eine Methode zur Erzeugung von Filamenten mit einem Femtosekunden regenerativen zwitscherten-Impulsverstärker und für die Verwendung der daraus resultierenden Filament, Bildgebung und spektroskopische Messungen an abgelegenen Strecken von mindestens mehreren Metern durchzuführen.

Introduction

Die räumliche Kohärenz und entsprechende kleine Abweichung Winkel des Lasers, die Balken für zahlreiche Anwendungen in der Fernerkundung, geführt haben, einschließlich chemisch empfindlichen Messungen der Atmosphäre1,2, Spektrum-Befund3 und remote-Spektroskopie4. Die gleichen Kohärenz Eigenschaften erlauben sehr enge Fokussierung des Laserlichts, die kontinuierliche liefern können Intensitäten von Milliarden Watt pro Quadratzentimeter konzentriert und gepulste Intensitäten von 1013 Watt pro quadratischen Zentimeter über einen Zeitraum von ein paar Femtosekunden. Solche extreme Intensitäten eignen sich für zahlreiche Anwendungen, einschließlich Prüfung der nichtlinearen optischen Eigenschaften der Materie5, Präzision optische Mikromaterialbearbeitung6, Materialcharakterisierung durch Laser induced breakdown Spektroskopie7, stimulierte Raman-Spektroskopie8,9,10und Spur chemische Detektion11.

Jedoch setzen die physikalischen Grenzen der Gaußsche Lichtstrahlen Grenzen auf die Fähigkeit, diese Eigenschaften von extremer Intensität und kleine Abweichung Winkel gleichzeitig anwenden. Ein Laserstrahl fokussiert auf eine kleine Stelle Größe wird unbedingt mit einem größeren Winkel abweichen. Klassisch, erhält der Abstrahlwinkel Divergenz durch, wo λ ist die Wellenlänge und w0 ist der Radius der Strahl Taille. Da die Abweichung Winkel durch den Durchmesser des Laserstrahls und der Brennweite f von der Fokussierlinse festgelegt ist, und enge Fokussierung ist nicht möglich, in einer Entfernung von mehreren Metern, da f groß wird im Vergleich zu d.

Arbeitnehmer im Bereich der verstärkten Femtosekunden Impulse bemerkt, dass diese Beschränkung der Intensität vs. Sortiment für hochintensive Femtosekunden Impulse, mit verletzt wurde Brandflecken kleiner als die Beugungsgrenze auf Ziele in großer Entfernung von der mit Laser12Ursprung. Dies erwies sich aufgrund der Kerr-Effekt selbst zu konzentrieren. Der Brechungsindex der Luft wird im Verhältnis zu der Intensität der Laser-Bereich geändert, und wenn der Laser eine Gaußsche Intensität Profil hat, wird das resultierende refraktiven Intensität Profil funktional ein Objektiv5. Der Strahl selbst konzentriert sich, wie es propagiert, was in einem engen und intensiven Filament von weniger als 100 µm Radius, deren geringe Größe durch ein dynamisches Gleichgewicht zwischen klassischen Beugung, Kerr selbst konzentrieren und durch Plasma Generation13Defokussierung aufrechterhalten wird.

Mit Femtosekunden-Laser-Filamente können Intensitäten in der Größenordnung von 1013 W/cm2 , Ziele in einer Entfernung von mehreren Metern mit handelsüblichen Femtosekunden zwitscherten Puls Verstärker geliefert werden. So können viele Experimente, die zuvor enge Fokussierung Bedingungen und Ziele ganz in der Nähe ein Objektiv von hoher numerischer Apertur benötigt jetzt in Entfernung eher typisch für Fernerkundungsanwendungen erfolgen. Intensitäten deutlich über dieser Schwelle sind jedoch nicht ohne weiteres möglich mit Filamentierung, wie der Strahl neigt dazu, in mehreren Filamenten aufzubrechen, wo jeder einzelne Faden in der Nähe der kritischen Power ist für die Fokussierung selbst13.

Zahlreiche Anwendungen sind möglich. Wir präsentieren Ihnen ein Protokoll in erster Linie für Bildgebung und Spektroskopie von entfernten Zielen mit einem Femtosekunden Laser Faden über die Zieloberfläche gescannt. Die Versuchsanordnung ist in Abbildung 1dargestellt.

Protocol

1. Erstellung der Femtosekunden-Laser-Wendel

  1. Femtosekunden-Filamente den Ausgang eines Lasers der Klasse 4 erfordern, Verschleiß geeigneten Augenschutz für die besonderen bewertet Lasersystem im Einsatz und schaffen eine klare und gut definierte Strahlführung mit einer entsprechenden Beam Dump. Befolgen Sie alle standard-Laser-Sicherheitsverfahren.
  2. Beginnen mit der Ausgabe eines gepulsten, verstärkte Femtosekunden-Lasers deren momentane Ausgangsleistung ist größer oder gleich der kritischen Kraft für die Fokussierung selbst in Luft etwa 3,2 GW für eine Exklusivrepräsentation laser bei 800 nm Wellenlänge. Generieren Sie verstärkten Puls in einem kommerziellen Femtosekunden Laser Verstärkersystem des Herstellers Protokoll verwenden. In der Praxis Pulsenergie von etwa 1 mJ für eine rund 35 fs Pulse ist ausreichend. Gute Ergebnisse bei Pulsenergie 2-4 MJ.
  3. Übergeben Sie den Laserstrahl durch eine Iris, die leicht die Außenkanten clips. Es wird beobachtet, um Fadenbildung, zu fördern, da Fadenbildung bekannt ist, von starken Steigungen und Inhomogenität im räumlichen Intensität Profil des Lasers ausgesät werden.
  4. Übergeben Sie den Strahl durch die Sammellinse, die hat einer Brennweite von ca. 200 cm oder größer, so dass die geometrische Fokussierung ist nicht so groß, dass selbst Fokussierung wird durch optische Panne oder Beugung überwältigt. Kippen Sie leicht das Objektiv in Bezug auf die Richtung der Ausbreitung, da zusätzliche Anisotropie bekannt ist, zu helfen, selbst Fokussierung Prozess Samen.
  5. Beobachten Sie einen Faden an einer Stelle in der Nähe der geometrische Mittelpunkt der Linse. Filamentierung von einem diffusen (mehrere-mm-Größe) Halo rund um einen hellen Kern (etwa 100 µm-Größe) zu diagnostizieren. Die Halo auf einem weißen Papier gesehen werden konnte und die hellen Kerne in der Regel Flimmern.
    1. Darüber hinaus beobachten eines Merkmals Modulation Prozess in der Luft selbst phase der hellen, bunten konischen Emission Ringe erzeugt, die über das Filament sichtbar sind. Für Laser mit Energien, die mehrmals die Schwelle für die Filamentierung sind, werden mehrere Filamente beobachtet. Diese sind als mehrere Lichtblicke in den konischen Emission Muster sichtbar und durch Dämpfung vor der Iris beseitigt werden können.

2. remote Scannen von der Zielfläche

  1. Setzen Sie einen zweiachsigen motorisierten Verschiebetisch in der Lage ist, die Probe in die Richtung quer zur Verbreitung des Laserstrahls auf dem Tisch bewegen. Stellen Sie sicher, dass der Laserstrahl auf die Mitte der Bühne Vorfall ist. Schrauben Sie die Bühne mit Schrauben auf den Tisch. Für Laborzwecke ist es im Allgemeinen einfacher, den Laserstrahl im Raum während des Scannens des Ziels unter dem Balken fest zu halten.
  2. Legen Sie Sand in einen Behälter (5 x 25,4 x 25,4 mm). Die Dicke des Sandes ist ca. 2 mm.
    1. Setzen Sie die Metalle (Kupfer, Edelstahl, Aluminium) auf der Oberseite Sand (Abb. 3a). Decken Sie die Metalle mit einem anderen 2 mm Schicht aus Sand (Abb. 3 b).
    2. Stellen Sie mit dem Laser aus der Behälter in der Mitte der Bühne Übersetzung. Stellen Sie sicher, dass das Zentrum des Behälters an der Stelle wo Filamentierung für Schritt 1.1-1.5 beobachtet wird.
  3. Richten Sie den Laser computergesteuert, einen einzigen Schuss wenn elektronisch Feuer geboten. Schreiben Sie ein LabVIEW oder eine ähnliche Computersprache, um die Kontrolle durchführen. Für automatisierte einschüssigen Pulse ist ein externer Trigger erforderlich.
    1. Einen Trigger TTL Impuls an die externe Trigger-Port auf der Rückseite des Steuermoduls Laser mit einem BNC-Kabel anschließen. Aktivieren Sie die externe Triggeroption auf dem Laser-Steuermodul. Die TTL-Puls löst nun den Laser um einen einzigen Schuss abzufeuern.
  4. Richten Sie den entsprechenden Sensor-Apparat. Richten Sie den Eingang des Spektrometers auf der Auftreffpunkt.
    1. Verwenden Sie ein Objektiv, um das Licht von Filamentierung Auftreffpunkt in einem Spektrometer zu koppeln. Stellen Sie sicher, dass der Abstand zwischen dem Objektiv und Filamentierung über die Brennweite.
    2. Verbinden Sie das Spektrometer mit Computer über USB-Kabel. Verwenden Sie Software, um das Spektrum zu überwachen. Öffnen Sie die Software und das Spektrum, und klicken Sie dann auf die Schaltfläche " Ausführen ".
    3. Verwenden Sie die Maus im Bereich zoomen, die im Experiment aufgezeichnet ist. Optimieren Sie die Spektrometer-Position, nachdem er das Signal auf dem Bildschirm.
    4. Ersetzen Sie für imaging-Messungen das Spektrometer mit einem Photomultiplier Röhre oder einer CCD-Kamera.
  5. Schreiben Sie ein Programm in LabVIEW oder eine ähnliche Programmiersprache eine Schleife über die folgenden Schritte durchführen: Feuer in eine einzigen aus dem Laser Schuss; sammeln Sie und speichern Sie die resultierenden Daten; Verschieben Sie die Übersetzung-Phase auf die nächste Koordinatenpunkt.

Representative Results

Die Auflösung der gescannten Bilder ist optisch nur durch die ~ 100 µm begrenzt. Die Übersetzung Bühne Bewegung sollte daher von dieser Größenordnung oder kleiner für maximale Auflösung. Dieses Niveau der Auflösung ist jedoch nicht für alle Messungen notwendig. Dieses Protokoll wurde für bildgebende14 und spektroskopische15 Messungen eingesetzt. Abbildung 1 zeigt den Versuchsaufbau. Der Impuls wird in einem Verstärkersystem erzeugt. Der Puls ist 1 kHz, 50 fs und zentriert bei 800 nm. Abbildung 2 vergleicht einen Scan ein kleines Texas A & M Logo Ziel mit einem Laser auf die Beugungsgrenze im Vergleich zu einem Scan mit einem Filament bildende Strahl getroffen getroffen. Dieses Experiment wurde mit Fäden in flüssigem Wasser durchgeführt, aber die Ergebnisse können für Luft in remote sensing13skaliert werden. Abbildung 3 zeigt räumlich aufgelösten Filament-induzierte Breakdown Spektroskopie Scans von Metallobjekten unterschiedlicher Zusammensetzung etwa zwei Millimeter unter einer Schicht von Sand begraben. Die Formen und Kompositionen von metallischen Gegenständen sind offensichtlich. Im Allgemeinen bietet Filamentierung eine Reihe von Mechanismen für die Ziel-Effekte. Der erste Impuls kann Auskunft über die Oberflächenschicht während nachfolgende Impulse über tiefere Teile des Materials durch Ablation oder mechanische Entfernung der Oberflächenschichten informieren können.

Figure 1
Abbildung 1: Der Versuchsaufbau. Der Laser ist 1 kHz, 50 fs und zentriert bei 800 nm. Der Schwerpunkt liegt mit einem Objektiv, die Intensität (~ 1013 W/cm2) Laser-Filamente bilden zu erreichen. Das Objekt befindet sich im Sand und auf einem Verschiebetisch. Das gestreute Licht wird mit einem Spektrometer gesammelt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abbildung 2: Sub-diffraction-limitierte Imaging. Remote-Images erzeugt durch das Scannen eines Laserstrahls über Texas A & M Logodruck in einer Entfernung von mehreren Metern. (a) Logo abgebildet mit nicht-Multifilamenten Strahl. (b) Logo abgebildet mit monofilen Strahl. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 3
Abbildung 3. Die chemische Karte. Spektral und räumlich aufgelöst Bild von Metallgegenständen unter Sand begraben. (a) Objekte über Sand. (b) Objekte unter 2,3 ± 0,3 mm Sand. (c) Bild mit Materialzusammensetzung farbcodiert, Metall spektrale Eigenschaften. Zusammengesetztes Bild der vergrabenen Objekte mit Aluminium (Al), Kupfer (Cu) und Edelstahl (SS) entsprechend der rot, grün und Cyan Farbe Komponenten, bzw. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Discussion

Die oben vorgestellte Methode ist ein Laborprotokoll für den Einsatz von Hochleistungs Laser-Licht klassisch hartnäckigen Abständen geliefert. Der zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten von solchen Licht – Autos, FIBS THz-Strahlung, Photoakustik, Superradiance. – viele Anwendungen liefern Punktinformationen über materielle Oberflächeneigenschaften. Femtosekunden-Laser-Filamente mit sub-classical-Beugung begrenzte Spotgröße ermöglicht Einsatz dieser Techniken beim Scannen der Oberfläche auf eine Punkt-für-Punkt-Basis. Dieses Protokoll ist eine ideale Testumgebung für die Entwicklung solcher Techniken.

Der wichtigste Aspekt des Protokolls ist es, die Laser-Filamentierung zu generieren. Um die stabile Laser Filamentierung zu erzeugen, ist die kritische Laserstärke ein paar 1013 W/cm2 und die eingespannte Intensität um 1.4x1014 W/cm2 in Experiment16gemessen. Es gibt keine Laser-Filamentierung, wenn die Intensität entweder hoch oder niedrig ist. Wenn die Intensität zu hoch ist, könnte das Medium stark im Brennpunkt ionisiert werden und ein Laser induzierte Abbau geschieht. Ein heller Funken anstelle eines Laser-Filamentierung werden beobachtet. In diesem Fall vermindern Sie die Kraft zu oder verwenden Sie ein Objektiv mit einer längeren Brennweite. Umgekehrt, wenn die Stromversorgung ist niedrig (keine Plasmaerzeugung wird beobachtet), die Leistung zu erhöhen oder verwenden Sie ein Objektiv mit kurzer Brennweite. Darüber hinaus lohnt sich in jedem Fall Anpassung des Chirp zu helfen, um ein Laser-Filamentierung zu bilden.

Dieser Scan-Technik ist in der Regel besser geeignet für den Laboreinsatz und Proof-of-Concept anstatt Feldeinsatz seit Fernbedienung Sensorik im Bereich in der Regel erlaubt keine feinen Verschiebetisch Kontrolle des Ziels untersucht. In diesen Fällen können die gleichen Labor entwickelten Lasertechniken verwendet werden, aber der Laser selbst durch traditionellere Strahl Lenkung Methoden wie z. B. die Änderung der Ausrichtung des Laser-Apparat selbst gescannt werden müssen.

Das Protokoll kann relativ leicht auf Experimente mit mehrere Fäden, Filament-Bundles, Pumpe-Sonde Experimente, Abstandsbolzen Spektroskopie, Wellenleiter oder zahlreiche andere Möglichkeiten beinhalten ausgedehnt werden. In jedem Fall eine der wichtigsten experimentellen Hürden ist die Ausrichtung der sich kreuzenden fokalen Flecken, aber mit diesem Protokoll dies muss nur einmal durchgeführt werden. Die optischen Elemente sind fixiert und die Probe selbst ist das einzige Objekt erforderlich, um zu bewegen. Dies kann sehr genau mit einem Verschiebetisch erfolgen. Änderung dieses Protokolls zu erreichen, weitere Kontrolle über die Lage der Filament Bildung erreichbar, darunter Fadenbildung auf Hunderte von Metern von der Laser ist im Prinzip durch sorgfältige Kontrolle des Laser Ausgangsimpuls möglich. Multi-Filamentierung bilden auch einen Wellenleiter während der Vermehrung, die dazu beitragen könnte, um ein Licht im freien Raum zu bieten.

Fernerkundung ist ein weites Feld, das umfasst Disziplinen wie Physik, Chemie, Ingenieurwesen, Umweltwissenschaften, etc.. Das ergänzende Material bieten wir zusätzliche remote sensing Systeme einschließlich Abstandswaffe Spektroskopie und Superradiance neben Filamentierung.

Disclosures

Keine Interessenkonflikte erklärt.

Acknowledgments

Die Forschung wird unterstützt durch die Office der Naval Research (ONR) (Preis N00014-16-1-2578 und N00014-16-1-3054), Robert A. Welch Foundation (Grant Nr. A-1547, Nr. A-1261), Air Force Büro der wissenschaftlichen Forschung (Award Nr. FA9550-18-1-0141), SMART Fellowship und einen Zuschuss von King Abdulaziz City for Science and Technology (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

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References

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