高強度フェムト秒レーザー光は、長距離にわたって強烈なサブ ミリ波径ビームを伝播するカー自己集束、プラズマのデフォーカスのサイクルを受けることができます。生成およびこれらのフィラメントを使用してリモート イメージングおよび線形光学の古典的な回折限界を超えて検出を実行するための手法について述べる。
レーザー誘起ブレーク ダウン分光法とバーコード スキャナーなど、さまざまな状況で使用されるユビキタス技術は、レーザー光でリモート問題を調査します。古典光学におけるリモート ターゲットに負担をもたらすことができます強度はターゲットの距離でレーザーのスポット サイズによって制限されます。このスポットのサイズが下限の古典的な光学回折限界によって決まります。ただし、増幅されたフェムト秒レーザー パルスは、周囲の空気の屈折を変更し、自己集束を受けるに十分な強度を生成します。この自己収束効果は、古典的なレイリー長さを越えての距離で小さなサブ ミリ径、強度を維持する高い高強度レーザー フィラメントの生成に します。このような強度は、スキャン、画像、リモートセンシングと強化された空間分解能で分光の機能を提供します。フェムト秒再生チャープ パルス増幅器のフィラメントを生成するため、結果フィラメントを使用して少なくとも数メートルの距離をリモートでイメージングと分光学的測定を実施するための手法について述べる。
空間コヒーレンスとレーザー ビームは雰囲気1,の2測距3、化学的に敏感な測定を含むリモートセンシング、多数のアプリケーションにつながっているに対応する小さな発散角度リモート分光4。強度 1 平方センチメートル当たりのワット数十億の連続を提供するレーザー光のタイトな焦点焦点を当てたし、1013ワットあたりのパルスの強度は、いくつかの期間にわたってセンチメートルを正方形同じコヒーレンス特性を非常に許可します。フェムトです。このような極端な強度は問題5、精密光学加工6、レーザー誘起ブレーク ダウンによる材料特性の非線形光学特性を調べることを含む多数のアプリケーションのために便利ラマン分光法8,9,10、およびトレース化学的検出11分光法7を刺激しました。
ただし、ガウスビームの物理的な制限は、同時に極端な強度と小さな発散角のこれらのプロパティを適用する能力に制限を設定します。レーザ光を微小スポットに焦点を当ててより大きい角度との乖離の必ずしも。古典的なビーム発散角は、λ は、波長と w0がビーム ウエストの半径によって、与えられます。レーザー ビームの直径と集光レンズの焦点距離fによって発散角が設定されているので、タイト フォーカスは不可能何メートルの距離で、 fが大きくなるとdと比較して。
増幅されたフェムト秒パルスに気づいた範囲の強度に関するこの制限事項は高強度フェムト秒パルスの違反したの分野で労働者焼いてから遠い距離でターゲットに表示される回折限界より小さく、元レーザー12。これが自己中心にカー効果に起因する見つかりました。レーザー場の強さに比例して空気の屈折が変更され、レーザーにガウス強度プロファイルは、結果として得られる屈折強度プロファイルになります機能的レンズ5。梁には、それを伝達するスモール サイズは、古典的な回折、カーは自己集束、プラズマ生成13によるボケの動的バランスによって維持されて未満 100 μ m の半径の狭いと強烈なフィラメントの結果として自己焦点を当てます。
フェムト秒レーザー フィラメントを 1013 W/cm2程度強度が市販フェムト秒チャープ パルス増幅器で何メートルの距離でターゲットに配信されます。したがって、以前タイトな撮影条件と高開口数のレンズに非常に近いターゲットを必要とする多くの実験は、リモートセンシング アプリケーションのより典型的な距離で今行うことが。しかし、このしきい値よりもはるかに高い強度は簡単に粘い、ビームはそれぞれ個々 のフィラメントが自己中心に13の重要な力の近くは複数のフィラメントに分割する傾向があります。
多数のアプリケーションに対応可能です。画像とターゲット表面を走査フェムト秒レーザー フィラメントを使用してリモートのターゲットの分光に主に適用されるプロトコルを提案します。実験装置は図 1に示します。
上記に示したメソッドは、古典的な難治性の距離で配信高強度レーザー光を使用するため研究室プロトコルです。このような光-車、FIBS の多数の可能なアプリケーションのテラヘルツ電磁波放射、photoacoustics、超放射等。-多くのアプリケーションは、表面の材料特性についてはポイントを提供できます。サブ classical 回折限界のスポット サイズとフェムト秒レーザーのフィラメントは、ポイントごとに表面をスキャンしている間これらのテクニックの使用をことができます。このプロトコルは、このような技術の開発のための理想的なテスト ベッドです。
プロトコルの最も重要な側面は、レーザ細線を生成することです。安定したレーザ細線を生成する重要なレーザー強度は数 1013 W/cm2と固定強度は 1.4×1014 W/cm2を実験16単位します。強度が高いまたは低い場合、レーザ細線はありません。強度が高すぎる場合、メディアが焦点位置で強くイオン化し、レーザー誘起ブレーク ダウンが発生します。レーザ細線ではなく明るい火花は観察されます。その場合、力を減衰または長い焦点距離のレンズを使用します。逆に、力が低 (ないプラズマの生成が観察される)、力を高めるか短い焦点距離のレンズを使用します。また、いずれにしても、レーザ細線を形成するのに役立つにチャープを調整する価値があります。
このスキャン技術は実験室の使用のために適して一般的に、リモートからフィールドの配置ではなく概念実証フィールドで一般に感知できません捜査対象の細かい翻訳ステージ制御。これらのシナリオで同じ研究室開発のレーザー技術を使用ことができます、しかし、レーザー自体をより伝統的なビームステア リング レーザー装置自体の向きを変更するなどの方法をスキャンする必要があります。
プロトコルを比較的簡単に拡張して複数のフィラメント、フィラメント束、ポンプ ・ プローブ実験、こう着状態の分光、導波管、または他の多くの可能性と実験を伴う可能性があります。それぞれのケースで実験的ハードルの 1 つは交差する焦点スポットでのアライメントですが、このプロトコルでこの必要が一度だけ行われます。光学要素は固定されています、サンプル自体が移動するために必要な唯一のオブジェクトです。これは、翻訳の段階で非常に正確に行うことができます。さらに、レーザーから数百メートルでフィラメント形成を含むフィラメント形成距離の場所にさらに制御を達成するためにこのプロトコルの変更は出力レーザー パルスの注意深い制御が原理的に可能です。マルチ フィラメント現象も空き領域の光を助けることができる伝搬中に導波路が形成されます。
物理学、化学、工学などの分野にまたがる広範なテーマは、リモートセンシング環境科学等。補足資料スタンドオフ分光と粘いに加えて超放射などを含む追加のリモート検出方式を提案する.
The authors have nothing to disclose.
研究はサポートで、オフィスの海軍研究 (ONR) (賞 N00014-16-1-2578 と N00014-16-1-3054)、ロバート ・ A ・ ウェルチ基金助成号A-1547 号A-1261)、科学研究賞号の空軍オフィスFA9550-18-1-0141)、科学技術 (KACST) 親睦と王 Abdulaziz 市から助成金をスマートします。
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 |