Filamentos de láser de femtosegundo para su uso en proyección de imagen de Sub-Diffraction-Limited y teledetección

Engineering
 

Summary

Alta intensidad femtosecond pulsos de luz láser pueden sufrir ciclos de Kerr auto enfoque y desenfoque de plasma, propagación de un haz intenso de la sub-millimeter-diámetro sobre largas distancias. Describimos una técnica para la generación y uso de estos filamentos para realizar la proyección de imagen remota y detección más allá de los límites clásicos de difracción óptica lineal.

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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

Sondeo remota materia con la luz del láser es una técnica omnipresente en circunstancias tan diversas como escáneres de código de barras y espectroscopía de ruptura inducida por láser. En la óptica clásica, la intensidad que se puede llevar a un destino remoto está limitada por el tamaño del punto del laser en la distancia del objetivo. Este tamaño de punto tiene un límite inferior determinado por el límite de difracción de la óptica clásica. Sin embargo, pulsos de láser de femtosegundo amplificado generan intensidad suficiente para modificar el índice de refracción del aire ambiente y experimentar uno mismo-enfocarse. Este efecto auto enfoque conduce a la generación de los filamentos de láser muy intensa que mantienen su intensidad y tamaño del diámetro pequeño submilimétrica en distancias más allá de la duración clásica de Rayleigh. Tal intensidad proporciona la capacidad de remoto análisis, proyección de imagen, detección y espectroscopia con resolución espacial mejorada. Describimos una técnica para la generación de filamentos con un amplificador de chirrió pulso Regenerativa de femtosegundo y para el uso del filamento resultante para realizar mediciones espectroscópicas e imágenes a distancias remotas de por lo menos varios metros.

Introduction

La coherencia espacial y el correspondiente ángulo de divergencia pequeño del laser vigas han dado lugar a numerosas aplicaciones en teledetección, incluyendo mediciones químicamente sensible del ambiente1,2, búsqueda de rango3, y espectroscopía remota4. Las mismas propiedades de coherencia permiten muy apretado enfoque de luz láser que puede ofrecer continua enfocado a intensidades de miles de millones de vatios por centímetro cuadrado y pulsados intensidades de 10 watts13 por centimetro cuadrado en un período de unos pocos femtosegundos. Tales intensidades extremas son útiles en numerosas aplicaciones incluyendo examinar las propiedades ópticas no lineales de materia5, precisión micromecanizado óptico6, caracterización de materiales a través de la descomposición inducida por láser Espectroscopia7, estimuló la espectroscopia de Raman8,9,10y rastro de detección química11.

Sin embargo, las limitaciones físicas de vigas Gaussian establecer límites en la capacidad de aplicar estas propiedades de extrema intensidad y ángulo de divergencia pequeño al mismo tiempo. Un rayo láser enfocado a un tamaño de punto pequeño necesariamente se divergen con un ángulo mayor. Clásicamente, el ángulo de divergencia de la viga está dada por, donde λ es la longitud de onda y w0 el radio de la cintura de la viga. Desde el ángulo de divergencia es el diámetro del haz láser y la longitud focal f de la lente de enfoque, y apretado no es posible enfocar a distancias de muchos metros como f llega a ser grande en comparación con a d.

Los trabajadores en el campo de amplificado femtosecond pulsos notó que esta limitación de intensidad vs gama fue violada por pulsos de alta intensidad femtosegundos, con queman más pequeño que el límite de difracción que aparece en objetivos a gran distancia de la originario de láser12. Esto fue encontrada para ser debido al efecto de Kerr auto enfoque. El índice de refracción del aire es modificado en proporción a la intensidad del campo de láser, y cuando el láser tiene un perfil gaussiano de intensidad, el perfil de intensidad de refracción resultante se convierte en funcionalmente un lente5. El rayo uno se centra como propaga, dando lugar a un filamento estrecho e intenso de menos de 100 μm de radio cuyo tamaño pequeño es mantenido por un equilibrio dinámico entre difracción clásico, Kerr auto enfoque y desenfoque debido a la generación de plasma13.

Con los filamentos de láser de femtosegundo, intensidades del orden de 1013 W/cm2 se pueden entregar a objetivos a distancias de muchos metros con amplificadores chirrió pulso de femtosegundo disponible comercialmente. Así, muchos experimentos que anteriormente requieren condiciones apretadas de enfoque y objetivos muy cerca de una lente de gran apertura numérica ahora pueden hacerse a distancia más típico de aplicaciones de percepción remota. Sin embargo, intensidades muy superiores a este umbral no están fácilmente posibles con filamentación, como el rayo tiende a romper en varios filamentos donde cada filamento individual es cerca de la energía crítica para uno mismo-enfocarse13.

Numerosas aplicaciones son posibles. Presentamos un protocolo aplicable principalmente a la proyección de imagen y espectroscopia de destinos remotos mediante un filamento de láser de femtosegundo escaneado sobre la superficie del blanco. El montaje experimental se muestra en la figura 1.

Protocol

1. creación del filamento del láser de femtosegundo

  1. Como filamentos de femtosegundo requieren la salida de un láser de clase 4, use protección de ojo apropiada clasificada para el detalle láser sistema en uso y establecer una línea clara y bien definida de la viga con una descarga de rayo apropiado. Siga todos los procedimientos de seguridad láser estándar.
  2. Comenzar con la salida de un láser de femtosegundo pulsada, amplificado cuya potencia instantánea es mayor o igual a la energía crítica para uno mismo-enfocarse en el aire, cerca de 3.2 GW para una TI: zafiro láser en longitud de onda de 800 nm. Generar el pulso amplificado en un sistema de amplificador del láser femtosegundo comercial utilizando el protocolo del fabricante. En la práctica, pulso de energía de aproximadamente 1 mJ de un aproximadamente 35 fs pulso es suficiente. Buenos resultados se obtienen con energía de pulso de 2 a 4 mJ.
  3. Pasar el rayo láser a través de un diafragma que ligeramente los bordes. Se observa al promover la formación del filamento, debido a que la formación del filamento se siembran por gradientes agudos y homogeneidad en el perfil espacial de la intensidad del láser.
  4. Pasar el rayo a través de la lente convergente tiene una distancia focal de aproximadamente 200 cm o mayor, por lo que el enfoque geométrico no es tan grande que uno mismo-enfoque es abrumado por degradación óptica o difracción. Incline levemente la lente con respecto a la dirección de la propagación, debido a que anisotropía adicional ayudar a la semilla el proceso de auto enfoque.
  5. Observar un filamento en un lugar cerca del foco geométrico de la lente. Diagnosticar la filamentación en un difuso halo (varios mm-tamaño) alrededor de un núcleo brillante (aproximadamente 100 μm-tamaño). El halo se veía en un papel blanco y corazones brillantes generalmente parpadean.
    1. Además, observar una característica uno mismo-fase proceso de modulación en el aire, que produce anillos de emisión cónico luminoso, varios colores que son visibles más allá del filamento. Para láseres con energías que son varias veces el umbral para la filamentación, se observan filamentos múltiples. Estos son visibles como múltiples puntos brillantes en el patrón de emisión cónico y se pueden eliminar por atenuación antes del iris.

2. control remoto escaneo de la superficie del blanco

  1. Poner una etapa de dos ejes motorizados traducción capaz de mover la muestra en la dirección transversal a la propagación del rayo laser sobre la mesa. Asegúrese que el rayo láser incidente en el centro del escenario. Perno de la etapa en la mesa con tornillos. Para fines de laboratorio, es generalmente más fácil mantener el fijo en el espacio mientras se exploraba el blanco debajo de la viga de rayo láser.
  2. Coloca arena en un recipiente (5 x 25,4 x 25,4 mm). El espesor de arena es alrededor de 2 mm.
    1. Poner los metales (cobre, acero inoxidable, aluminio) en la parte superior de arena (figura 3a). Cubrir los metales con otra capa de 2 mm de arena (figura 3b).
    2. Con el láser apagado, poner el recipiente en el centro de la etapa de la traducción. Asegúrese de que el centro del envase está en la ubicación donde se observa la filamentación paso 1.1-1.5.
  3. Configurar control de computadora del láser para disparar un solo tiro cuando electrónicamente al mando. Escriba un LabVIEW o un lenguaje similar para realizar el control. Impulsos de tiro automatizado, es necesario un disparador externo.
    1. Conectar un disparador de pulso TTL al puerto de disparo externo en la parte posterior del módulo de control de láser con un cable BNC. Habilitar la opción de disparo externo en el módulo de control del láser. El pulso TTL ahora activará el láser para disparar un solo tiro.
  4. Configurar el aparato sensor apropiado. Configurar la entrada del espectrómetro hacia el punto de impacto.
    1. Usar un lente para acoplar la luz del punto de impacto de la filamentación en un espectrómetro. Asegúrese de que la distancia focal es la distancia entre la lente y filamentación.
    2. Conecte el espectrómetro con el ordenador mediante el cable USB. Utilizar software para monitorear el espectro. Abra el software y el espectro y haga clic en el botón Ejecutar .
    3. Usa el ratón para hacer zoom en la gama que se registra en el experimento. Optimizar la posición del espectrómetro después de ver la señal en la pantalla.
    4. Para las mediciones de la proyección de imagen, cambiar el espectrómetro con un tubo fotomultiplicador o una cámara CCD.
  5. Escribir un programa en LabVIEW o un lenguaje similar para realizar un bucle sobre los siguientes pasos: fuego un único disparo del láser; recoger y guardar los datos resultantes; hacia la etapa de traducción en el siguiente punto de coordenadas.

Representative Results

La resolución de las imágenes está limitada ópticamente solamente por el ~ 100 μm. Por lo tanto, el movimiento de la etapa de traducción debe ser de esta magnitud o menor para la máxima resolución. Sin embargo, este nivel de resolución no es necesario para todas las mediciones. Este protocolo se ha utilizado para la proyección de imagen14 y mediciones espectroscópicas15 . La figura 1 muestra la configuración experimental. El pulso se genera en un sistema de amplificador. El pulso es de 1 kHz, 50 fs y centrada en 800 nm. Figura 2 compara una exploración de un pequeño de Texas A & M logo blanco con un láser en el límite de difracción en comparación con un barrido con un haz de filamentos formando. Este experimento fue realizado usando filamentos en agua líquida, pero los resultados pueden escalarlos a disminuir para el aire en el sensor remoto13. Figura 3 muestra espacialmente resuelto análisis de espectroscopia de degradación inducida por el filamento de objetos metálicos de composición diferente enterraron aproximadamente dos milímetros por debajo de una capa de arena. Las formas y las composiciones de los objetos de metal son evidentes. En general, filamentación proporciona una serie de mecanismos para efectos del objetivo. El pulso inicial puede proporcionar información sobre la capa superficial, mientras que los pulsos subsiguientes pueden proporcionar información sobre las porciones más profundas del material a través de la ablación o eliminación mecánica de las capas superficiales.

Figure 1
Figura 1. La disposición experimental. El láser es de 1 kHz, 50 fs y centrada en 800 nm. Se centra con una lente para alcanzar la intensidad (~ 1013 W/cm2) para formar filamentos de láser. El objeto está bajo la arena y en una etapa de la traducción. La luz dispersada se recoge con un espectrómetro. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2. Proyección de imagen de sub-diffraction-limited. Imágenes remotas generadas por escaneo de un rayo láser a través de un logotipo impreso de la Texas A & M en una distancia de varios metros. a) reflejada con el rayo no el logo. b) logo reflejada con el rayo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3. El mapa de la química. Espectral y espacial resuelto imagen de objetos metálicos enterrados bajo arena. a) objetos por encima de la arena. b) objetos por debajo de 2,3 ± 0,3 mm de arena. c) la imagen con color-coded a metal características espectrales la composición del material. Imagen compuesta de los objetos enterrados con el aluminio (Al), cobre (Cu) y acero inoxidable (SS) correspondiente al rojo, verde y cian color componentes, respectivamente haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discussion

El método presentado anteriormente es un protocolo de laboratorio para el uso de luz láser de alta intensidad en distancias clásico insuperables. De las numerosas posibles aplicaciones de tales luz, coches, FIBS, radiación THz, photoacoustics, superradiance, etcetera. -muchas aplicaciones pueden ofrecer información acerca de las propiedades superficiales del material. Filamentos de láser de femtosegundo con sub-classical-difracción limitada tamaño de punto permite el uso de estas técnicas durante el escaneo de la superficie en forma de punto por punto. Este protocolo es una cama de prueba ideal para el desarrollo de tales técnicas.

El aspecto más crítico del protocolo es generar la filamentación de láser. Para generar la filamentación de láser estable, la intensidad del láser crítico es unos 1013 W/cm2 y la intensidad afianzada con abrazadera es alrededor de 1.4x1014 W/cm2 medidos en experimento de16. No hay ninguna filamentación de láser cuando la intensidad es alta o baja. Si la intensidad es demasiado alta, el medio puede ser ionizado fuertemente en el punto focal y pasará una láser inducida por avería. Se observará una chispa brillante en lugar de un láser de filamentación. En este caso, atenuar la potencia o utilizar una lente con una longitud focal más larga. Por el contrario, si la potencia es baja (se observa la no generación de plasma), aumentar la potencia o utilizar una lente con longitud focal corta. Por otra parte, en cualquier caso, vale la pena ajustar el chirrido para ayudar a formar una filamentación de láser.

Esta técnica de análisis generalmente es más adecuada para uso en laboratorio y prueba de concepto en lugar de despliegue de campo desde remoto detección en el campo generalmente no permite el control fino de etapa de la traducción de la blanco bajo investigación. En estos escenarios se pueden utilizar las mismas técnicas láser desarrollado por el laboratorio, pero el laser sí mismo tendrá que analizarse a través de la tradicional viga steering métodos como cambiar la orientación del aparato laser sí mismo.

El protocolo podría ampliarse fácilmente para implicar experimentos con múltiples filamentos, haces de filamentos, experimentos de prueba de bomba, espectroscopia separador, guía de onda o numerosas otras posibilidades. En cada caso, uno de los principales obstáculos experimentales es la alineación de los puntos focales que se cruzan, pero con este protocolo, esto necesita hacerse solamente una vez. Los elementos ópticos se fijan en el lugar y la muestra sí mismo es el único objeto necesario para mover. Esto puede hacerse precisamente con una etapa de la traducción. Más modificación de este protocolo para lograr más control sobre la ubicación de la distancia de formación de filamento, incluyendo formación de filamento a cientos de metros en el laser, es posible en principio por un control cuidadoso del pulso láser de salida. Multi-filamentación formará también una guía de onda durante la propagación, que podría ayudar a brindar una luz en el espacio.

Teledetección es un tema amplio que abarca disciplinas como la física, química, ingeniería, ciencias ambientales, etcetera. En el material suplementario, proponemos esquemas de detección remotos adicionales incluyendo espectroscopia de stand y superradiance además de filamentación.

Disclosures

No hay conflicto de interés declarado.

Acknowledgments

La investigación es apoyada por la oficina de Naval Research (ONR) (Premio N00014-16-1-2578 y N00014-16-1-3054), Fundación Robert A. Welch (Grant no. A-1547, no. A-1261), oficina de la fuerza aérea de la investigación científica (premio no. FA9550-18-1-0141), SMART beca y una beca de la ciudad de Rey Abdulaziz para la ciencia y la tecnología (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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