Femtosekunden-Laser-Filamente für den Einsatz in Sub-Diffraction-Limited Bildgebung und Fernerkundung
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.
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
Representative Results
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 1.4×1014 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
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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
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