飞秒激光丝在亚衍射有限成像和遥感中的应用

摘要

高强度飞秒激光脉冲可以经历 Kerr 自聚焦和等离子体散焦的循环, 在远距离传播强亚毫米直径光束。我们描述了一种产生和使用这些细丝进行远距离成像和传感的技术, 超越了线性光学的经典衍射极限。

摘要

激光探测远程物质是一种普遍适用的技术, 适用于激光诱导击穿光谱仪和条形码扫描仪等多种环境。在经典光学中, 可以对远程目标施加的强度受到目标距离激光光斑大小的限制。这个光斑尺寸有一个下界由经典光学的衍射极限决定。然而, 放大飞秒激光脉冲产生的强度足以改变周围空气的折射率, 并进行自聚焦。这种自聚焦效应导致产生高度强烈的激光丝, 这些丝在远远超出经典瑞利长度的距离上保持其强度和小毫米直径的大小。这种强度提供了远程扫描、成像、传感和光谱的能力, 具有更高的空间分辨率。我们描述了一种利用飞秒再生手脉冲放大器产生细丝的技术, 以及使用生成的长丝在至少几米的远距离进行成像和光谱测量的技术。

引言

激光束的空间相干性和相应的小发散角在遥感中得到了许多应用, 包括对大气^的化学敏感测量 1^、2、测距³、和远程光谱学⁴。相同的相干特性允许非常紧密的激光聚焦, 可以在几个时间内提供每平方厘米数十亿瓦的连续聚焦强度和每平方厘米 10 13 瓦的脉冲强度飞秒。这种极端强度适用于许多应用, 包括检测物质5的非线性光学特性、精密光学微加工6、通过激光诱导分解^对材料^进行表征光谱⁷, 受激拉曼光谱^{8,9, 10,和}痕量化学检测¹¹。

然而, 高斯光束的物理限制限制了同时应用这些极端强度和小发散角特性的能力。聚焦在较小光斑尺寸的激光束必然会偏离更大的角度。经典地, 光束发散角给出, 其中是波长, w₀是光束腰的半径。由于发散角是由激光束的直径和聚焦透镜的焦距f决定的, 由于f与d相比, 在许多米的距离上不可能有紧密的聚焦。

放大飞秒脉冲领域的工人注意到, 这种强度与范围的限制被违反了高强度飞秒脉冲, 烧伤痕迹小于衍射限制出现在距离距离较远的目标上。原始激光¹²。这被发现是由于卡尔效应的自我聚焦。空气的折射率根据激光场的强度进行修改, 当激光具有高斯强度分布时, 产生的折射率强度分布在功能上成为透镜⁵。光束在传播时具有自聚焦力, 从而形成半径小于100μm 的窄而强烈的长丝, 其小尺寸由经典衍射、Kerr 自聚焦和等离子体13引起的散焦之间的动态平衡来保持。

使用飞秒激光丝, 约为 1013 Wcm-2 的强度可通过商业上可用的飞秒脉冲放大器在许多米的距离内传递到目标。因此, 许多以前需要严格的聚焦条件和非常接近高数字孔径透镜的目标的实验现在可以在更典型的遥感应用的距离上进行。然而, 在丝状作用下, 强度远远高于这一阈值是不容易的, 因为光束往往会分解成多个细丝, 其中每个长丝都接近自聚焦¹³的临界功率。

许多应用是可能的。我们提出了一种主要适用于远程目标成像和光谱的协议, 使用在目标表面扫描的飞秒激光长丝。实验设置如图 1所示。

研究方案

1. 飞秒激光长丝的创建

1. 由于飞秒细丝需要输出4级激光, 请为所使用的特定激光系统佩戴适当的眼睛保护, 并使用适当的光束转储建立清晰且定义明确的光束线。遵守所有标准的激光安全程序。
2. 从脉冲放大飞秒激光的输出开始, 其瞬时输出功率大于或等于空气中自我聚焦的临界功率, ti: 800 纳米波长的蓝宝石激光器约 3.2 GW。使用制造商协议在商用飞秒激光放大器系统中生成放大脉冲。实际上, 对于大约35fs 脉冲, 大约 1 mJ 的脉冲能量就足够了。脉冲能量为 2-4 mJ, 取得了较好的效果。
3. 激光束通过虹膜, 稍微夹住外缘。它被观察到促进长丝的形成, 因为长丝的形成是已知的种子的尖锐梯度和不均匀的空间强度剖面的激光。
4. 将光束通过焦距约为200厘米或更大的收敛透镜, 使几何聚焦不是那么大, 以至于自聚焦被光学击穿或衍射压得喘不过气来。稍微倾斜镜头相对于传播的方向, 因为额外的各向异性是已知的, 以帮助种子的自我聚焦过程。
5. 观察镜头几何焦点附近位置的灯丝。通过围绕明亮 (约100μm 大小) 核心的漫反射 (几毫米大小) 光环进行诊断。光环可以在白纸上看到, 明亮的核心通常会闪烁。
   1. 此外, 观察空气中的一个典型的自相位调制过程, 它产生明亮的, 多色的锥形发射环, 可见的灯丝以外。对于能量是丝状物阈值数倍的激光, 可以观察到多种细丝。这些都是可见的多亮点在锥形发射模式, 并可以消除通过衰减之前的虹膜。

2. 目标表面的远程扫描

1. 放置一个双轴机动平移阶段, 能够将样品沿横向移动到激光束在桌子上的传播方向。确保激光束发生在舞台中心。用螺丝把舞台固定在桌子上。对于实验室目的, 在扫描光束下的目标时, 通常更容易将激光束固定在空间中。
2. 将沙子放入容器中 (5 毫米 x25.4 毫米 x25.4 毫米)。沙子的厚度约为2毫米。
   1. 将金属 (铜、不锈钢、铝) 放在沙子的顶部 (图 3a)。用另一层2毫米的沙子覆盖金属 (图 3b)。
   2. 关闭激光后, 将容器置于翻译阶段的中心。确保容器的中心位于步骤 1.1-1.5 观察到文件化的位置。
3. 设置激光的计算机控制, 以便在电子命令时发射一枪。编写 LabVIEW 或类似的计算机语言来执行该控件。对于自动单次拍摄脉冲, 需要外部触发器。
   1. 使用 BNC 电缆将触发 TTL 脉冲连接到激光控制模块背面的外部触发端口。在激光控制模块上启用外部触发器选项。TTL 脉冲现在将触发激光发射一枪。
4. 设置适当的传感器设备。设置指向撞击点的光谱仪入口。
   1. 使用透镜将丝状撞击点的光耦合到光谱仪中。确保镜头和丝状之间的距离与焦距有关。
   2. 使用 USB 电缆将光谱仪与计算机连接。使用软件来监控频谱。打开软件和频谱, 然后单击 "运行"按钮。
   3. 使用鼠标放大实验中记录的范围。在屏幕上看到信号后, 优化光谱仪位置。
   4. 对于成像测量, 请将光谱仪替换为光电倍增管或 CCD 摄像机。
5. 用 LabVIEW 或类似的计算机语言编写一个程序, 以便在以下步骤中执行循环: 从激光中发射一张子弹;收集并保存生成的数据;将翻译阶段移动到下一个坐标点。

结果

扫描图像的分辨率仅受到 ~ 100μm 的光学限制。因此, 翻译阶段运动应该是这个数量级或更小的, 以获得最大的分辨率。但是, 并非所有测量都需要此分辨率级别。该协议已用于成像¹⁴和光谱¹⁵测量。图 1显示了实验设置。脉冲是在放大器系统中产生的。脉冲为1千赫, 50 fs, 中心为 800 nm。图 2将用激光拍摄的一个小的德克萨斯 a &Amp; m 标志目标的扫描与用成膜光束进行的扫描进行比较。本实验采用液态水中的丝, 但可用于遥感¹³的空气。图 3显示了空间分辨的文件诱导分解光谱扫描不同成分的金属物体埋在一层沙子下面约两毫米。金属物体的形状和成分是显而易见的。通常, 文件化提供了许多用于目标效果的机制。初始脉冲可以提供表面层的信息, 而随后的脉冲可以通过烧蚀或机械去除表面层提供材料的较深处的信息。

图1。实验设置.激光为 1 kHz, 50 fs, 中心为 800 nm。它是聚焦与镜头, 以达到强度 (~ 10¹³ W/cm²⁾, 形成激光细丝。对象在沙子下, 并把一个翻译阶段。散射光是用光谱仪收集的。请点击这里查看此图的较大版本.

图2。子衍射有限成像.通过扫描激光束在打印的德克萨斯 A &Amp; M 徽标上扫描, 在几米的距离内生成远程图像。a) 用非丝状光束成像的徽标。b) 用丝状光束成像的徽标。请点击这里查看此图的较大版本.

图3。化学地图。埋在沙子下的金属物体的光谱和空间分辨率图像.a) 沙子上方的物体。b) 沙土 2.3±0.3 mm 以下的物体。c) 具有材料成分的图像, 颜色编码为金属光谱特征。与红色、绿色和青色成分相对应的与铝 (铝)、铜 (Cu) 和不锈钢 (SS) 相对应的埋地物体的复合图像,请分别点击此处查看此图的较大版本.

讨论

上述方法是一种用于使用在经典难治距离内提供的高强度激光的实验室协议。在这种光的众多可能应用中--CARS、FIBS、THz 辐射、光声、超光照度等。–许多应用可以提供有关表面材料特性的点信息。飞秒激光丝与子经典衍射有限的光斑大小允许使用这些技术, 同时扫描表面逐点。该协议是开发此类技术的理想试验台。

该协议最关键的方面是生成激光丝状化。为了产生稳定的激光丝状, 关键激光强度为几个 10¹³ wcm 2, 夹紧强度在实验¹⁶测量的 1.4 x10^{14 wcm 2 左右}. 当强度高或低时, 不存在激光丝状化。如果强度过高, 介质可能会在焦点处强烈电离, 并发生激光引起的击穿。将观察到明亮的火花, 而不是激光丝状化。在这种情况下, 衰减电源或使用焦距较长的镜头。相反, 如果功率较低 (没有观察到等离子发电), 则增加功率或使用焦距较短的镜头。此外, 无论哪种情况, 都值得调整, 以帮助形成激光丝光。

这种扫描技术通常更适合实验室使用和验证概念, 而不是现场部署, 因为外地的遥感一般不允许对被调查的目标进行精细的平移阶段控制。在这些情况下, 可以使用相同的实验室开发的激光技术, 但激光本身将不得不通过更传统的光束转向方法进行扫描, 例如改变激光设备本身的方向。

该协议可以相对容易地扩展到涉及多个细丝、细丝束、泵-探针实验、僵持光谱、波导或许多其他可能性的实验。在每一种情况下, 主要的实验障碍之一是相交焦点的对齐, 但有了这个协议, 这只需要做一次。光学元件固定在适当的位置, 样品本身是唯一需要移动的物体。这可以在翻译阶段非常精确地完成。通过仔细控制输出激光脉冲, 原则上可以进一步修改该协议, 以进一步控制长丝形成距离的位置, 包括在距离激光数百米的情况下形成长丝。在传播过程中, 多丝状化也会形成波导, 这将有助于在自由空间中提供光。

遥感是一门广泛的学科, 涉及物理、化学、工程、环境科学等学科。在补充材料中, 我们提出了额外的遥感方案, 包括对峙光谱和超光照度, 以及丝状。

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
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