Femtoseconde Laser filamenten voor gebruik in Sub-Diffraction-Limited Imaging en Remote Sensing
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.
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
Representative Results
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 1.4×1014 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
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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 |
References
- 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).
- 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).
- Zuber, M. T., et al. The Mars Observer laser altimeter investigation. Journal of Geophysical Research. 97, 7781 (1992).
- 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).
- Boyd, R. W. . Nonlinear Optics. , (2008).
- Gattass, R. R., Mazur, E. Femtosecond laser micromachining in transparent materials. Nature Photonics. 2, 219-225 (2008).
- 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).
- Beadie, G., et al. Toward a FAST CARS anthrax detector: coherence preparation using simultaneous femtosecond laser pulses. Optics Communications. 244, 423-430 (2005).
- 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).
- Pestov, D., et al. Optimizing the laser-pulse configuration for coherent Raman spectroscopy. Science. 316 (5822), 265-268 (2007).
- Braun, A. Self-channeling of high-peak-power femtosecond laser pulses in air. Optics Letters. 20 (1), 73-75 (1995).
- Couairon, A., Mysyrowicz, A. Femtosecond filamentation in transparent media. Physics Reports. 441, 47-189 (2007).
- Wang, K., et al. Remote sub-diffraction imaging with femtosecond laser filaments. Optics Letters. 37 (8), 1343-1345 (2012).
- 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).
- 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).
- Li, H. L., et al. Critical power and clamping intensity inside a filament in a flame. Optics Express. 24 (4), 3424 (2016).
