Фемтосекундный лазер волокна для использования в суб-Diffraction-ограниченной изображений и дистанционного зондирования
Summary
Высокой интенсивности фемтосекундных импульсов лазерного света могут пройти циклы самофокусировка Керр и расфокусировке плазмы, распространение интенсивных суб-millimeter-диаметр пучка на большие расстояния. Мы опишем технику для создания и использования этих нитей для выполнения удаленных изображений и зондирования за пределы классической дифракции линейной оптики.
Abstract
Зондирование удаленный вопрос с лазерного света является вездесущий техника, используемая в обстоятельствах, таких как лазерно индуцированным разбивка спектроскопии и штрих сканеры. В классической оптике интенсивности, которые могут быть задействованы на удаленной целевой ограничено размером пятно лазера на расстояние от целевого. Этот размер пятна имеет нижнюю границу, определяется дифракционный предел классической оптике. Однако усиленные Фемтосекундных лазерных импульсов генерировать достаточно изменить индекс преломления окружающего воздуха и пройти самофокусировка интенсивности. Этот самостоятельной фокусировки эффект приводит к поколения весьма интенсивного лазерного нитей, которые поддерживают их интенсивности и размер малого вложенные миллиметр диаметра на расстояниях далеко за рамки классической длины Рэлея. Такая интенсивность предоставляет возможность удаленного сканирования, обработки изображений, зондирования и спектроскопии с расширенной пространственным разрешением. Мы описываем метод для генерации нитей с усилителем Фемтосекундный регенеративной щебетала пульс и использование результирующего накаливания для поведения визуализации и Спектроскопические измерения на отдаленных расстояниях по крайней мере несколько метров.
Introduction
Пространственная согласованности и соответствующий угол небольшие расхождения лазерных пучков привели к многочисленных приложений в области дистанционного зондирования, включая химически чувствительных измерений в атмосфере1,2, дальности3, и удаленный спектроскопия4. Те же свойства согласованности позволяют очень туго фокусировать лазерного света, который может доставить непрерывного сосредоточены интенсивности миллиарды ватт на квадратный сантиметр и импульсного света 1013 ватт на квадратный сантиметр в течение нескольких фемтосекунд. Такие экстремальные интенсивности полезны для многих приложений, включая изучение нелинейных оптических свойств материи5, точность оптического микрообработка6, характеризация материалов через лазер индуцированной разбивка спектроскопия7, стимулировали Рамановская спектроскопия8,9,10и трассировки обнаружения химических веществ11.
Однако физические ограничения гауссовых пучков установить ограничения на способность применять эти свойства экстремальных интенсивности и небольшие расхождения угла одновременно. Лазерный луч, сосредоточены на небольшой размер пятна будут обязательно расходятся с больший угол. Классически Угол расхождения луча определяется, где λ является длина волны и w0 радиус талии луча. Поскольку диаметр лазерного луча и фокусным расстоянием f фокусировки объектива, устанавливается угол расхождения, и туго упором возможна не на расстоянии многих метров как f становится большим по сравнению с d.
Работников в области усиливается фемтосекундных импульсов заметил, что это ограничение на интенсивности против диапазона было нарушено для высокой интенсивности фемтосекундных импульсов, с следы ожогов меньше, чем дифракционный предел, появляясь на цели на большом расстоянии от возникая лазерный12. Это было установлено быть вызвано самофокусировка эффект Керра. Преломления воздуха изменяется пропорционально интенсивности лазерного поля, и когда лазер имеет профиль Гаусса интенсивности, в результате профиль преломления света становится функционально объектив5. Луч фокусируется самостоятельно как он передает, что приводит к узким и интенсивным нити менее 100 мкм радиуса, небольшой размер которого поддерживается динамического равновесия среди классических дифракции, самофокусировка Керр и расфокусировке благодаря плазмы поколения13.
С фемтосекундный лазер волокна интенсивности порядка 1013 Вт/см2 может быть доставлен цели на расстоянии многих метров с коммерчески доступных Фемтосекундный щебетала пульс усилители. Таким образом многие эксперименты, которые ранее требовали туго фокусировки условий и задач очень близко к объектив высокого числовая апертура, теперь может быть сделано на расстоянии более типичные применения дистанционного зондирования. Однако интенсивности намного выше, чем этот порог не легко можно с филаментацию, как луч, как правило, разбить на несколько нитей, где каждый индивидуальный накаливания находится вблизи критической мощности для самофокусировка13.
Возможны многочисленные приложения. Мы представляем протокола главным образом применимы к изображений и спектроскопия удаленных целей с помощью фемтосекундный лазер накаливания, проверенных целевой поверхности. Экспериментальная установка показана на рисунке 1.
Protocol
Representative Results
Discussion
Метод, представленный выше это лаборатория протокол для использования высокой интенсивности лазерного света, доставлены на классическом неразрешимыми расстояниях. Из многочисленных возможных применений таких свет – автомобили, ВРАНЬЯ ТГц излучения, фотоакустика, Сверхизлучение, и т.д. – Многие приложения могут доставить точки сведения о поверхностных свойств материалов. Фемтосекундный лазер нити с суб classical-дифракционный пятно размером позволяет использовать эти методы при сканировании поверхности на основе точка за точкой. Этот протокол является идеальным испытательный стенд для разработки таких методов.
Наиболее важным аспектом протокола является создание лазерной филаментацию. Для создания стабильной лазер филаментацию, критических лазерной интенсивности несколько 1013 Вт/см2 и зажимается интенсивность вокруг 1.4×1014 Вт/см2 измеряется в эксперимент16. Существует без лазерных филаментацию, когда интенсивность высоким или низким. Если интенсивность слишком высока, средство может сильно ионизированный в фокальной точке и break-down лазерные индуцированной произойдет. Яркая искра вместо филаментацию лазер будет соблюдаться. В этом случае ослабить власть или использовать объектив с фокусным расстоянием больше. И наоборот Если мощность низкий (не плазмы поколения наблюдается), увеличить мощность или использовать объектив с фокусным расстоянием короткие. Кроме того в любом случае, стоит настроить щебечут, чтобы помочь сформировать лазерной филаментацию.
Эта техника сканирования обычно лучше подходят для использования в лабораторных и доказательства в концепция вместо развертывания поле с дистанционного зондирования в области обычно не позволяют прекрасный перевод этап контроля целевого под следствием. В этих сценариях можно использовать те же методы разработаны лаборатории лазерных, но сам лазер будет иметь для проверки через более традиционные луч, Руководящий методы, такие как изменение ориентации лазерный аппарат сам.
Протокол можно относительно легко расширить привлечь экспериментов с несколько нитей, накаливания связки, насос зонд эксперименты, противостояние спектроскопии, волновода или множество других возможностей. В каждом случае одна из основных трудностей, экспериментальный является выравнивание пересекающихся точек фокуса, но с настоящим Протоколом, это нужно сделать только один раз. Оптические элементы устанавливаются на месте и образец сам является единственным объектом, необходимые для переезда. Это может быть сделано очень точно с стадии перевода. Дальнейшие модификации этого протокола для достижения дальнейшего контроля над расположения нити накала формирования расстояния, включая формирование накаливания на сотни метров от лазера, возможно в принципе путем тщательного контроля вывода лазерного импульса. Multi филаментацию будет также являться волновода во время распространения, которая могла бы помочь доставить свет в свободном пространстве.
Дистанционное зондирование является предметом широкой, охватывающей такие дисциплины, как физика, химия, Машиностроение, наука об окружающей среде, и т.д. В дополнительном материале мы предлагаем дополнительные дистанционного зондирования схемы, включая противостояние спектроскопии и Сверхизлучение в дополнение к филаментацию.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Исследования поддерживается путем управления военно-морских исследований (ОНР) (премия N00014-16-1-2578 и N00014-16-1-3054), Роберт а. Уэлч фонд (Грант № A-1547, № A-1261), военно-воздушных сил бюро научных исследований (премия No. FA9550-18-1-0141), смарт-программа стипендий и грантов от короля Абдулазиза города науки и технологии (ЦНТ).
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).
