Filamentos de láser de femtosegundo para su uso en proyección de imagen de Sub-Diffraction-Limited y teledetección
Summary
Alta intensidad femtosecond pulsos de luz láser pueden sufrir ciclos de Kerr auto enfoque y desenfoque de plasma, propagación de un haz intenso de la sub-millimeter-diámetro sobre largas distancias. Describimos una técnica para la generación y uso de estos filamentos para realizar la proyección de imagen remota y detección más allá de los límites clásicos de difracción óptica lineal.
Abstract
Sondeo remota materia con la luz del láser es una técnica omnipresente en circunstancias tan diversas como escáneres de código de barras y espectroscopía de ruptura inducida por láser. En la óptica clásica, la intensidad que se puede llevar a un destino remoto está limitada por el tamaño del punto del laser en la distancia del objetivo. Este tamaño de punto tiene un límite inferior determinado por el límite de difracción de la óptica clásica. Sin embargo, pulsos de láser de femtosegundo amplificado generan intensidad suficiente para modificar el índice de refracción del aire ambiente y experimentar uno mismo-enfocarse. Este efecto auto enfoque conduce a la generación de los filamentos de láser muy intensa que mantienen su intensidad y tamaño del diámetro pequeño submilimétrica en distancias más allá de la duración clásica de Rayleigh. Tal intensidad proporciona la capacidad de remoto análisis, proyección de imagen, detección y espectroscopia con resolución espacial mejorada. Describimos una técnica para la generación de filamentos con un amplificador de chirrió pulso Regenerativa de femtosegundo y para el uso del filamento resultante para realizar mediciones espectroscópicas e imágenes a distancias remotas de por lo menos varios metros.
Introduction
La coherencia espacial y el correspondiente ángulo de divergencia pequeño del laser vigas han dado lugar a numerosas aplicaciones en teledetección, incluyendo mediciones químicamente sensible del ambiente1,2, búsqueda de rango3, y espectroscopía remota4. Las mismas propiedades de coherencia permiten muy apretado enfoque de luz láser que puede ofrecer continua enfocado a intensidades de miles de millones de vatios por centímetro cuadrado y pulsados intensidades de 10 watts13 por centimetro cuadrado en un período de unos pocos femtosegundos. Tales intensidades extremas son útiles en numerosas aplicaciones incluyendo examinar las propiedades ópticas no lineales de materia5, precisión micromecanizado óptico6, caracterización de materiales a través de la descomposición inducida por láser Espectroscopia7, estimuló la espectroscopia de Raman8,9,10y rastro de detección química11.
Sin embargo, las limitaciones físicas de vigas Gaussian establecer límites en la capacidad de aplicar estas propiedades de extrema intensidad y ángulo de divergencia pequeño al mismo tiempo. Un rayo láser enfocado a un tamaño de punto pequeño necesariamente se divergen con un ángulo mayor. Clásicamente, el ángulo de divergencia de la viga está dada por, donde λ es la longitud de onda y w0 el radio de la cintura de la viga. Desde el ángulo de divergencia es el diámetro del haz láser y la longitud focal f de la lente de enfoque, y apretado no es posible enfocar a distancias de muchos metros como f llega a ser grande en comparación con a d.
Los trabajadores en el campo de amplificado femtosecond pulsos notó que esta limitación de intensidad vs gama fue violada por pulsos de alta intensidad femtosegundos, con queman más pequeño que el límite de difracción que aparece en objetivos a gran distancia de la originario de láser12. Esto fue encontrada para ser debido al efecto de Kerr auto enfoque. El índice de refracción del aire es modificado en proporción a la intensidad del campo de láser, y cuando el láser tiene un perfil gaussiano de intensidad, el perfil de intensidad de refracción resultante se convierte en funcionalmente un lente5. El rayo uno se centra como propaga, dando lugar a un filamento estrecho e intenso de menos de 100 μm de radio cuyo tamaño pequeño es mantenido por un equilibrio dinámico entre difracción clásico, Kerr auto enfoque y desenfoque debido a la generación de plasma13.
Con los filamentos de láser de femtosegundo, intensidades del orden de 1013 W/cm2 se pueden entregar a objetivos a distancias de muchos metros con amplificadores chirrió pulso de femtosegundo disponible comercialmente. Así, muchos experimentos que anteriormente requieren condiciones apretadas de enfoque y objetivos muy cerca de una lente de gran apertura numérica ahora pueden hacerse a distancia más típico de aplicaciones de percepción remota. Sin embargo, intensidades muy superiores a este umbral no están fácilmente posibles con filamentación, como el rayo tiende a romper en varios filamentos donde cada filamento individual es cerca de la energía crítica para uno mismo-enfocarse13.
Numerosas aplicaciones son posibles. Presentamos un protocolo aplicable principalmente a la proyección de imagen y espectroscopia de destinos remotos mediante un filamento de láser de femtosegundo escaneado sobre la superficie del blanco. El montaje experimental se muestra en la figura 1.
Protocol
Representative Results
Discussion
El método presentado anteriormente es un protocolo de laboratorio para el uso de luz láser de alta intensidad en distancias clásico insuperables. De las numerosas posibles aplicaciones de tales luz, coches, FIBS, radiación THz, photoacoustics, superradiance, etcetera. -muchas aplicaciones pueden ofrecer información acerca de las propiedades superficiales del material. Filamentos de láser de femtosegundo con sub-classical-difracción limitada tamaño de punto permite el uso de estas técnicas durante el escaneo de la superficie en forma de punto por punto. Este protocolo es una cama de prueba ideal para el desarrollo de tales técnicas.
El aspecto más crítico del protocolo es generar la filamentación de láser. Para generar la filamentación de láser estable, la intensidad del láser crítico es unos 1013 W/cm2 y la intensidad afianzada con abrazadera es alrededor de 1.4×1014 W/cm2 medidos en experimento de16. No hay ninguna filamentación de láser cuando la intensidad es alta o baja. Si la intensidad es demasiado alta, el medio puede ser ionizado fuertemente en el punto focal y pasará una láser inducida por avería. Se observará una chispa brillante en lugar de un láser de filamentación. En este caso, atenuar la potencia o utilizar una lente con una longitud focal más larga. Por el contrario, si la potencia es baja (se observa la no generación de plasma), aumentar la potencia o utilizar una lente con longitud focal corta. Por otra parte, en cualquier caso, vale la pena ajustar el chirrido para ayudar a formar una filamentación de láser.
Esta técnica de análisis generalmente es más adecuada para uso en laboratorio y prueba de concepto en lugar de despliegue de campo desde remoto detección en el campo generalmente no permite el control fino de etapa de la traducción de la blanco bajo investigación. En estos escenarios se pueden utilizar las mismas técnicas láser desarrollado por el laboratorio, pero el laser sí mismo tendrá que analizarse a través de la tradicional viga steering métodos como cambiar la orientación del aparato laser sí mismo.
El protocolo podría ampliarse fácilmente para implicar experimentos con múltiples filamentos, haces de filamentos, experimentos de prueba de bomba, espectroscopia separador, guía de onda o numerosas otras posibilidades. En cada caso, uno de los principales obstáculos experimentales es la alineación de los puntos focales que se cruzan, pero con este protocolo, esto necesita hacerse solamente una vez. Los elementos ópticos se fijan en el lugar y la muestra sí mismo es el único objeto necesario para mover. Esto puede hacerse precisamente con una etapa de la traducción. Más modificación de este protocolo para lograr más control sobre la ubicación de la distancia de formación de filamento, incluyendo formación de filamento a cientos de metros en el laser, es posible en principio por un control cuidadoso del pulso láser de salida. Multi-filamentación formará también una guía de onda durante la propagación, que podría ayudar a brindar una luz en el espacio.
Teledetección es un tema amplio que abarca disciplinas como la física, química, ingeniería, ciencias ambientales, etcetera. En el material suplementario, proponemos esquemas de detección remotos adicionales incluyendo espectroscopia de stand y superradiance además de filamentación.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
La investigación es apoyada por la oficina de Naval Research (ONR) (Premio N00014-16-1-2578 y N00014-16-1-3054), Fundación Robert A. Welch (Grant no. A-1547, no. A-1261), oficina de la fuerza aérea de la investigación científica (premio no. FA9550-18-1-0141), SMART beca y una beca de la ciudad de Rey Abdulaziz para la ciencia y la tecnología (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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