Filamenti di Laser a femtosecondi per Imaging Sub Diffraction-Limited e telerilevamento
Summary
Impulsi a femtosecondi ad alta intensità della luce laser possono subire cicli di Kerr auto-messa a fuoco e plasma defocalizzazione, propagando un intenso fascio di sub-millimeter-diametro su lunghe distanze. Descriviamo una tecnica per la generazione e l’utilizzo di questi filamenti per eseguire remote imaging e rilevamento oltre i limiti di diffrazione classica dell’ottica lineare.
Abstract
Sondaggio questione remoto con la luce laser è una tecnica onnipresente utilizzata in circostanze diverse come scanner di codici a barre e spettroscopia ripartizione indotta da laser. In ottica classica, l’intensità che può essere esercitata su un target remoto è limitato dalla dimensione dello spot del laser alla distanza del bersaglio. Questa dimensione dello spot ha un limite inferiore determinato dal limite della diffrazione dell’ottica classica. Tuttavia, impulsi laser a femtosecondi amplificato generano intensità sufficiente per modificare l’indice di rifrazione dell’aria ambiente e sottoposti a auto-messa a fuoco. Questo effetto di auto-messa a fuoco conduce alla generazione dei filamenti laser altamente intensa che mantengono la loro intensità e dimensioni di diametro piccolo sub-millimetrica a distanze ben oltre la classica lunghezza di Rayleigh. Tale intensità fornisce la funzionalità di remote scansione, imaging, rilevamento e spettroscopia con una maggiore risoluzione spaziale. Descriviamo una tecnica per la generazione di filamenti con un amplificatore di impulsi cinguettò rigenerativa a femtosecondi e per l’utilizzo il filamento risultante per condurre misure spettroscopiche e di imaging a remote Distanze di almeno diversi metri.
Introduction
La coerenza spaziale e il corrispondente angolo di piccola divergenza del laser travi hanno portato a numerose applicazioni di telerilevamento, compreso le misure chimicamente sensibili del atmosfera1,2, telemetria3, e spettroscopia remoto4. Le stesse proprietà di coerenza permettono molto stretto di messa a fuoco della luce laser in grado di fornire continuo focalizzata intensità di miliardi di watt per centimetro quadrato e intensità pulsata di 1013 watt per centimetro quadrato per un periodo di pochi femtosecondi. Tale intensità estrema sono utili per numerose applicazioni tra cui esaminando le proprietà ottiche non lineari di materia5, precisione ottica microlavorazioni6, caratterizzazione di materiali tramite laser-indotto-ripartizione spettroscopia7, stimolato Raman spectroscopy8,9,10e traccia chimica rilevazione11.
Tuttavia, le limitazioni fisiche dei Fasci gaussiani impostare limiti per la capacità di applicare queste proprietà di estrema intensità e angolo di divergenza piccolo contemporaneamente. Un raggio laser focalizzato a una dimensione piccola macchia divergeranno necessariamente con un angolo maggiore. Classicamente, l’angolo di divergenza del fascio è data da, dove λ è che la lunghezza d’onda e w0 è il raggio della vita fascio. Poiché l’angolo di divergenza è impostato dal diametro del fascio laser e la lunghezza focale f della lente messa a fuoco, e stretta di messa a fuoco non è possibile a distanza di molti metri come f diventa grande rispetto a d.
Operai nel campo di amplificato femtosecond impulsi notato che questa limitazione sull’intensità vs gamma è stata violata per impulsi a femtosecondi ad alta intensità, con segni di bruciatura inferiore rispetto al limite di diffrazione che appaiono su bersagli a grande distanza dalla originario di laser12. Questo è stato trovato per essere dovuto effetto Kerr auto-messa a fuoco. L’indice di rifrazione dell’aria viene modificato in proporzione l’intensità di campo laser, e quando il laser ha un profilo di intensità gaussiana, il profilo di rifrazione intensità risultante diventa funzionalmente un obiettivo5. Il fascio si auto-concentra in quando si propaga, risultante in un filamento stretto e intenso di meno di 100 µm raggio cui piccole dimensioni sono mantenuto da un equilibrio dinamico tra classica diffrazione, Kerr auto-messa a fuoco e sfocatura dovuta al plasma generazione13.
Con filamenti di laser a femtosecondi, intensità nell’ordine dei 1013 W/cm2 può essere consegnato ai bersagli a distanze di molti metri con amplificatori cinguettò-impulsi a femtosecondi disponibili in commercio. Così, molti esperimenti che in precedenza richiedevano condizioni di messa a fuoco strette e obiettivi molto vicino a un obiettivo di apertura numerica elevata possono ora essere fatto a distanza più tipica delle applicazioni di rilevamento remote. Tuttavia, molto superiore a questa soglia di intensità non sono facilmente possibili con filamentazione, come il fascio tende a rompersi in più filamenti dove ogni singolo filamento è vicino il potere critico per auto-messa a fuoco13.
Numerose applicazioni sono possibili. Vi presentiamo un protocollo principalmente applicabile per l’imaging e spettroscopia di destinazioni remote utilizzando un filamento di laser a femtosecondi analizzato sopra la superficie di destinazione. La messa a punto sperimentale è illustrato nella Figura 1.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il metodo presentato qui sopra è un protocollo di laboratorio per l’uso di luce ad alta intensità laser consegnato alle distanze classicamente insolubile. Delle numerose possibili applicazioni di tale luce – automobili, FIBS, radiazione THz, photoacoustics, superradiance, ecc. – molte applicazioni in grado di fornire punto informazioni sulle proprietà del materiale superficiale. Filamenti di laser a femtosecondi con sub-classical-diffrazione limitata dimensione dello spot consente utilizzo di queste tecniche durante la scansione della superficie su una base di punto per punto. Questo protocollo è un banco di prova ideale per lo sviluppo di tali tecniche.
L’aspetto più critico del protocollo è quello di generare la filamentazione laser. Per generare la filamentazione stabile del laser, l’intensità del laser critico è di pochi 1013 W/cm2 e l’intensità bloccato è intorno 1.4×1014 W/cm2 misurata in esperimento16. Non c’è nessun filamentazione laser quando l’intensità è alta o bassa. Se l’intensità è troppo elevata, il mezzo potrebbe essere fortemente ionizzato al punto focale e una ripartizione laser indotta avverrà. Una scintilla luminosa invece una filamentazione laser sarà osservata. In tal caso, il potere di attenuare o utilizzare una lente con una lunghezza focale. Al contrario, se la potenza è bassa (nessuna generazione di plasma viene osservato), aumentare la potenza o utilizzare un obiettivo con lunghezza focale corta. Inoltre, in entrambi i casi, vale la pena di regolare il chirp per contribuire a formare una filamentazione laser.
Questa tecnica di scansione in genere è più adatto per uso in laboratorio e proof-of-concept piuttosto che di distribuzione di campo dal telecomando rilevamento nel campo generalmente non consente un controllo fine fase di traduzione del bersaglio sotto inchiesta. In tali scenari le stesse tecniche di laboratorio-sviluppato laser possono essere utilizzate, ma il laser dovrà essere analizzato attraverso il fascio più tradizionale sterzo metodi ad esempio cambiando l’orientamento dell’apparato laser stesso.
Il protocollo potrebbe essere relativamente facilmente esteso per coinvolgere gli esperimenti con filamenti multipli, fasci di filamenti, esperimenti di pompa-sonda, spettroscopia della Colonnetta, guida d’onda o numerose altre possibilità. In ogni caso, uno dei principali ostacoli sperimentali è l’allineamento dei punti focali che si intersecano, ma con questo protocollo, questo bisogno di essere fatto solo una volta. Gli elementi ottici sono fissati in posto e il campione stesso è l’unico oggetto richiesto per spostare. Questo può essere fatto molto proprio con una fase di traduzione. Ulteriore modifica del presente protocollo per ottenere ulteriore controllo sul percorso della distanza filamento formazione, compresa la formazione dei filamenti a centinaia di metri dal laser, è possibile in linea di principio attraverso un attento controllo dell’impulso laser uscita. Multi-filamentazione costituiranno anche una guida d’onda durante la propagazione, che poteva contribuire a fornire una luce nello spazio libero.
Telerilevamento è un tema ampio che si estende su discipline quali fisica, chimica, ingegneria, scienze ambientali, ecc. Il materiale supplementare, ci proponiamo ulteriori schemi di rilevamento remoti incluso stand-off spettroscopia e superradiance oltre a filamentazione.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
La ricerca è sostenuta dall’ufficio del Naval Research (ONR) (premio N00014-16-1-2578 e N00014-16-1-3054), Fondazione di Robert A. Welch (Grant No. A-1547, no. A-1261), Air Force Office della ricerca scientifica (premio No. FA9550-18-1-0141), SMART Fellowship e una sovvenzione da King Abdulaziz City per scienza e tecnologia (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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