Filaments de Laser femtoseconde pour utilisation en imagerie de sous-sous-Diffraction-Limited et de la télédétection
Summary
Impulsions femtosecondes de haute intensité de la lumière laser peuvent subir des cycles de Kerr auto-focalisation et plasma défocalisation, propageant un faisceau intense de sous-sous-millimeter-diamètre sur de longues distances. Nous décrivons une technique de production et d’utilisation de ces filaments pour effectuer la distance d’imagerie et de détection au-delà des limites de diffraction classique d’optique linéaire.
Abstract
Sondage question distance avec la lumière laser est une technique omniprésente utilisée dans des circonstances aussi divers que les scanners laser-induced breakdown de spectroscopie et de codes à barres. Dans l’optique classique, l’intensité qui peut être exercée sur une cible distante est limitée par la taille de tache de laser à la distance de la cible. Cette taille de tache a une limite inférieure, déterminée par la limite de diffraction de l’optique classique. Cependant, impulsions de laser femtoseconde amplifié génèrent intensité suffisante pour modifier l’indice de réfraction de l’air ambiant et subir auto-focalisation. Cet effet autoconcentration conduit à la génération des filaments très intense laser qui maintiennent leur intensité et submillimétrique de petit diamètre à des distances bien au-delà de la durée classique de Rayleigh. Telle intensité fournit la capacité d’analyse, imagerie, télédétection et spectroscopie à résolution spatiale améliorée. Nous décrivons une technique pour générer des filaments avec un amplificateur d’impulsions a pépié régénératrice femtoseconde et permettant d’utiliser le filament qui en résulte pour effectuer des mesurages d’imagerie et spectroscopiques à des distances éloignées d’au moins plusieurs mètres.
Introduction
La cohérence spatiale et l’angle de divergence petit correspondant de laser à faisceaux ont conduit à de nombreuses applications en télédétection, y compris mesures chimiquement sensibles de l’atmosphère1,2,3de télémétrie, et spectroscopie distance4. Les mêmes propriétés de cohérence permettent très serré de mise au point de lumière laser qui peut fournir en continu axé intensités de milliards de watts par centimètre carré et pulsées intensités de 1013 watts par centimètre carré sur une période de quelques femtosecondes. Ces intensités extrêmes sont utiles pour de nombreuses applications dont les propriétés optiques non linéaires de la question5, précision optique micro usinage6, caractérisation des matériaux par laser-induced-décomposition spectroscopie,7,8,de la spectroscopie de Raman stimulée9,10et trace détection chimique11.
Cependant, les limites physiques des faisceaux gaussiens fixer des limites à la capacité d’appliquer ces propriétés d’extrême intensité et angle de divergence petit simultanément. Un faisceau laser focalisé à une petite taille de spot divergeront forcément avec un angle plus grand. Classiquement, l’angle de divergence de faisceau est donné par, où λ est que la longueur d’onde et w0 est le rayon de la taille du faisceau. Puisque l’angle de divergence est définie par le diamètre du faisceau laser et la longueur focale f de la lentille de focalisation, et serré mise au point n’est pas possible à une distance de plusieurs mètres comme f devient grande par rapport à d.
Travailleurs dans le domaine de la femtoseconde amplifié impulsions remarqué que cette limitation sur intensité comparativement à la plage a été violée à impulsions femtosecondes de haute intensité, avec graver des marques plus petite que la limite de diffraction qui apparaît sur les cibles à grande distance de la originaire de laser12. Cela s’est avéré pour être en raison de l’effet Kerr auto-focalisation. L’indice de réfraction de l’air est modifiée proportionnellement à l’intensité du champ laser et quand le laser a un profil d’intensité gaussien, le profil d’intensité réfractive qui en résulte devient fonctionnellement une lentille5. Le faisceau se concentre automatique car elle se propage, résultant en un filament étroit et intense de moins de 100 µm de rayon dont la petite taille est maintenue par un équilibre dynamique entre diffraction classique, Kerr auto-focalisation et défocalisation en raison de la génération de plasma13.
Avec des filaments de laser femtoseconde, intensités de l’ordre de 1013 W/cm2 peuvent être livrées à des cibles à une distance de plusieurs mètres avec amplificateurs a pépié-impulsions femtoseconde disponible dans le commerce. Ainsi, beaucoup d’expériences qui nécessaire auparavant des conditions de mise au point serrées et cibles très proche d’une lentille de forte ouverture numérique peut maintenant se faire à distance plus typique des applications de la télédétection. Cependant, intensités bien supérieures à ce seuil ne sont pas facilement possibles avec filamentation, car le faisceau tend à diviser en plusieurs filaments où chaque filament individuel côtoie la puissance critique d’auto-focalisation13.
Nombreuses applications sont possibles. Nous présentons un protocole qui s’applique principalement à l’imagerie et la spectroscopie des cibles distantes à l’aide d’un filament de laser femtoseconde numérisé sur toute la surface de la cible. Le montage expérimental est illustré à la Figure 1.
Protocol
Representative Results
Discussion
La méthode présentée ci-dessus est un protocole de laboratoire pour l’utilisation de la lumière de haute intensité laser envoyée à des distances classiquement insolubles. De nombreuses applications possibles de cette lumière – voitures, bobards, rayonnement THz, photo-acoustique, superradiance, etc.. – de nombreuses applications peuvent livrer des informations de point sur les propriétés des matériaux surfaces. Filaments de laser femtoseconde avec taille de tache de sous-sous-classical-diffraction-limited permet l’utilisation de ces techniques pendant le balayage de la surface sur une base de point par point. Ce protocole est un banc d’essai idéal pour le développement de ces techniques.
L’aspect le plus important du protocole est de générer la filamentation laser. Pour générer la filamentation laser stable, l’intensité du laser critique est quelques 1013 W/cm2 et l’intensité fixée autour 1.4×1014 W/cm2 , mesurée à l’expérience de16. Il n’y a aucun filamentation laser lorsque l’intensité est élevée ou faible. Si l’intensité est trop élevée, le milieu pourrait être fortement ionisé au point focal et un effondrement laser induit va arriver. Une étincelle au lieu d’une filamentation laser est observée. Dans ce cas, atténuer la puissance ou utiliser un objectif avec une focale plus longue. À l’inverse, si la puissance est faible (aucune génération de plasma est observée), augmenter la puissance ou utiliser un objectif à courte focale. En outre, dans les deux cas, il convient d’ajuster le chirp afin d’aider à former une filamentation laser.
Cette technique d’analyse est généralement mieux adaptée pour utilisation en laboratoire et proof-of-concept au lieu de déploiement de champ depuis la télécommande dans le champ de détection en général ne permet pas contrôle fine-positionnement de la cible étudiée. Dans ces scénarios, les mêmes techniques de laboratoire-au point laser peuvent être utilisés, mais le laser lui-même devra être analysé par le biais de faisceau plus traditionnel méthodes telles que la modification de l’orientation de l’appareil laser lui-même.
Le protocole pourrait être relativement facilement étendu afin de parvenir à des expériences avec plusieurs filaments, faisceaux de filaments, des expériences de pompe-sonde, spectroscopie standoff, guide d’onde ou nombreuses autres possibilités. Dans chaque cas, un des principaux obstacles expérimentales est l’alignement des taches focales qui se croisent, mais avec ce protocole, cela doivent seulement être fait une fois. Les éléments optiques sont fixés en place et l’échantillon lui-même est le seul objet nécessaire au déplacement. Cela peut être fait très précisément avec une étape de traduction. Modification du présent protocole pour obtenir un contrôle supplémentaire sur l’emplacement de la distance de formation de filaments, y compris la formation des filaments à quelques centaines de mètres du laser, est encore possible en principe par un contrôle minutieux de l’impulsion laser de sortie. Multi-filamentation constituera également un guide d’ondes au cours de la propagation, ce qui permettrait d’offrir une lumière dans l’espace libre.
La télédétection est un sujet vaste qui s’étend sur des disciplines comme la physique, chimie, ingénierie, sciences de l’environnement, etc.. Dans les documents supplémentaires, nous vous proposons des modèles de détection distants supplémentaires, y compris impasse spectroscopie et superradiance outre filamentation.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
La recherche est soutenue par le bureau de recherche navale (ONR) (prix N00014-16-1-2578 et N00014-16-1-3054), Robert A. Welch Foundation (Grant no. A-1547, no A-1261), la Force aérienne Bureau de la recherche scientifique (prix no FA9550-18-1-0141), SMART Fellowship et une subvention de King Abdulaziz City Science and Technology (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).
