Filamentos de Femtosecond Laser para uso em Sub-Diffraction-Limited imagens e sensoriamento remoto

Resumo

Alta intensidade femtosecond pulsos de luz de laser podem sofrer ciclos de Kerr auto focagem e desfocagem de plasma, um raio intenso de sub-millimeter-diâmetro de propagação através de longas distâncias. Nós descrevemos uma técnica para gerar e usar estes filamentos para executar remoto de imagens e sensoriamento para além dos limites de difração clássica da óptica linear.

Resumo

Sondagem remota matéria com luz laser é uma técnica onipresente em circunstâncias tão diversas como a degradação induzida por laser espectroscopia e código de barras scanners. Na óptica clássica, a intensidade que pode ser exercida a um alvo remoto é limitada pelo tamanho de ponto do laser à distância do alvo. Este tamanho de ponto tem um limite inferior, determinado pelo limite de difração da óptica clássica. No entanto, pulsos de laser de femtosecond amplificado geram intensidade suficiente para modificar o índice de refração do ar ambiente e se submeter a focagem automática. Este efeito auto focalização leva à geração de filamentos altamente intenso do laser que mantêm sua intensidade e tamanho de diâmetro pequeno sub milímetros a distâncias muito além do clássico comprimento de Rayleigh. Tal intensidade fornece a capacidade de remoto digitalização de imagem, detecção e espectroscopia com maior resolução espacial. Nós descrevemos uma técnica para a geração de filamentos com um amplificador de pulso gorjeou femtosecond regenerativa e para usar o filamento resultante para realizar medidas espectroscópicas e de imagem a uma distância remota pelo menos vários metros.

Introdução

A coerência espacial e o correspondente ângulo de divergência pequena do laser feixes levaram a inúmeras aplicações em sensoriamento remoto, incluindo medições quimicamente sensíveis da atmosfera^1,2, gama-encontrar³, e espectroscopia remoto⁴. As mesmas propriedades de coerência permitam muito apertado com foco de luz de laser que pode entregar contínua focada intensidades de bilhões de watts por centímetro quadrado e intensidades pulsantes de 10¹³ watts por centímetro quadrado ao longo de um período de alguns femtoseconds. Tais intensidades extremas são úteis para inúmeras aplicações, incluindo a análise das propriedades ópticas não-lineares da questão⁵, precisão óptica micromaquinação⁶, caracterização de materiais através do laser-induzida-avaria espectroscopia⁷, estimulou a espectroscopia de Raman^8,9,10e rastreamento de deteção química¹¹.

No entanto, as limitações físicas dos feixes Gaussian definir limites sobre a capacidade de aplicar essas propriedades de extrema intensidade e ângulo de divergência pequena simultaneamente. Um feixe de laser focalizado a um pequeno tamanho de ponto será necessariamente divergem com um ângulo maior. Classicamente, o ângulo de divergência do feixe é dada por, onde λ é que o comprimento de onda e w₀ é o raio da cintura feixe. Desde que o ângulo de divergência é definido pelo diâmetro do feixe de laser e a distância focal f da lente com foco, e centrando-se apertado não é possível a uma distância de vários metros como f torna-se grande em relação a d.

Trabalhadores no campo do amplificado femtosecond pulsos notou que essa limitação na intensidade vs gama foi violada por pulsos de alta intensidade femtosecond, com queimam menores do que o limite de difração aparecem em alvos a grande distância do origem do laser¹². Isto foi encontrado para ser devido ao efeito Kerr auto foco. O índice de refração do ar é modificado proporcionalmente a intensidade do campo do laser, e quando o laser tem um perfil de intensidade gaussiana, o perfil de intensidade refractiva resultante torna-se funcionalmente uma lente⁵. O feixe incide Self como ele propaga, resultando em um filamento estreito e intenso de menos de 100 µm de raio cujo tamanho pequeno é mantido por um equilíbrio dinâmico entre a difração clássica, Kerr auto focagem e desfocagem devido à geração de plasma¹³.

Com filamentos de laser de femtosecond, intensidades da ordem de 10¹³ W/cm² podem ser entregues para alvos a distâncias de muitos medidores com amplificadores de pulso gorjeou femtosecond comercialmente disponíveis. Assim, muitos experimentos que anteriormente exigiam condições apertadas de focagem e alvos muito perto de uma lente de abertura numérica elevada agora podem ser feitos a distância mais típica de aplicações de sensoriamento remotas. No entanto, intensidades muito superiores este limiar não são facilmente possíveis com filamentação, como o raio tende a separar em vários filamentos, onde cada filamento individual está perto do poder crítico para uma focagem automática¹³.

Diversas aplicações são possíveis. Apresentamos um protocolo principalmente aplicável à imagem e espectroscopia de destinos remotos usando um filamento de femtosecond laser digitalizado sobre a superfície do alvo. A montagem experimental está representada na Figura 1.

Protocolo

1. criação do filamento Femtosecond Laser

1. Como filamentos femtosecond exigem a saída de um laser de classe 4, proteção de olho apropriado desgaste classificada para o particular laser sistema em uso e estabelecer uma linha de feixe claras e bem definidas com um dump de feixe apropriada. Siga todos os procedimentos de segurança de laser padrão.
2. Começar com a saída de um laser pulsado e amplificadas femtosecond cuja potência instantânea é maior ou igual à potência crítica para focagem automática no ar, cerca de 3,2 GW para um Ti:Sapphire do laser no comprimento de onda de 800 nm. Gere o pulso amplificado em um sistema de amplificador comercial femtosecond laser usando o protocolo do fabricante. Na prática, pulso de energia de cerca de 1 mJ para um aproximadamente 35 fs pulso é suficiente. Bons resultados são obtidos com pulso de energia de 2-4 mJ.
3. Passe o feixe de laser através de uma íris que clipes ligeiramente as bordas externas. Observa-se a promover a formação de filamentos, desde a formação do filamento é conhecida por ser propagado por gradientes afiadas e homogeneidade no perfil espacial da intensidade do laser.
4. Passar o feixe através das lentes convergentes que tem uma distância focal de aproximadamente 200 cm ou maior, para que o foco geométrico não é tão grande que auto focalização é esmagada pela degradação óptica ou difração. Incline ligeiramente a lente com relação a direção de propagação, desde anisotropy adicional é conhecido para ajudar o processo de auto focagem de sementes.
5. Observe um filamento em um local perto do foco geométrico da lente. Diagnosticar a filamentação por um halo (vários mm-tamanho) difusa em torno de um núcleo brilhante (aproximadamente 100 µm-tamanho). O halo pode ser visto em um papel branco e os núcleos brilhantes geralmente flicker.
   1. Além disso, observe uma característica auto fase processo de modulação no ar, que produz anéis de brilhantes, multi-coloridas emissão cônica que são visíveis além do filamento. Para lasers com energias que são várias vezes o limiar para a filamentação, observam-se vários filamentos. Estes são visíveis como múltiplos pontos brilhantes no padrão cónico de emissão e podem ser eliminadas por atenuação antes da íris.

2. remoto digitalização da superfície de destino

1. Coloca um palco de dois eixos motorizados tradução capaz de mover a amostra na direção transversal à propagação do feixe de laser sobre a mesa. Certifique-se de que o feixe de laser é incidente sobre o centro do palco. Parafuso do palco em cima da mesa com parafusos. Para fins de laboratório, é geralmente mais fácil de manter o feixe de laser fixado no espaço durante a digitalização o alvo debaixo da trave.
2. Coloque areia em um recipiente (5 milímetros x 25,4 x 25,4 mm). A espessura de areia é cerca de 2 mm.
   1. Coloca os metais (cobre, aço inoxidável, alumínio), no topo de areia (Figura 3a). Cobrir os metais com outra camada de 2 mm de areia (Figura 3b).
   2. Com o laser desligado, coloque o recipiente no centro do palco a tradução. Certifique-se de que o centro do recipiente está no local onde filamentação é observada por etapa 1.1-1.5.
3. Configurar o controle do computador do laser para disparar um único tiro quando eletronicamente comandou. Escreva um LabVIEW ou uma linguagem de computador similar para realizar o controle. Para pulsos de disparo único automatizados, um gatilho externo é necessário.
   1. Conecte um gatilho pulso TTL à porta na parte traseira do módulo de controle do laser com um cabo BNC de gatilho externo. Habilite a opção de disparador externo sobre o módulo de controle do laser. O pulso TTL agora irá disparar o laser para disparar um único tiro.
4. Configure o equipamento adequado. Configure a entrada do espectrómetro apontando para o ponto de impacto.
   1. Use uma lente para acoplar a luz do ponto de impacto de filamentação em um espectrômetro. Certifique-se que a distância entre a lente e filamentação é sobre o comprimento focal.
   2. Conecte o espectrômetro com o computador usando o cabo USB. Use o software para monitorar o espectro. Abra o software e o espectro e, em seguida, clique no botão executar .
   3. Use o mouse para ampliar o intervalo que é gravado no experimento. Otimize a posição do espectrômetro depois de ver o sinal na tela.
   4. Para medições de imagem, substitua o espectrômetro por um tubo fotomultiplicador ou uma câmera CCD.
5. Escrever um programa em LabVIEW ou uma linguagem de computador semelhantes para executar um loop sobre as etapas a seguir: fogo um único tiro do laser; coletar e salvar os dados resultantes; Mova o estágio da tradução para o próximo ponto de coordenada.

Resultados

A resolução das imagens digitalizadas é limitada opticamente apenas pela ~ 100 µm. Portanto, a proposta de estágio de tradução deve ser dessa ordem de magnitude ou menor para resolução máxima. No entanto, este nível de resolução não é necessário para todas as medições. Este protocolo tem sido usado para imagens¹⁴ e medições espectroscópicas¹⁵ . A Figura 1 mostra a configuração experimental. O pulso é gerado em um sistema de amplificador. O pulso é de 1 kHz, 50 fs e centrado em 800 nm. A Figura 2 compara um scan da Texas A & M logotipo alvos pequenos tirados com um laser no limite de difração em comparação com uma varredura com um feixe de filamentos-formando. Este experimento foi realizado utilizando filamentos em água líquida, mas os resultados podem ser redimensionados para o ar em sensoriamento remoto¹³. A Figura 3 mostra espacialmente-resolvido scans de espectroscopia induzida por filamento avaria de objectos metálicos, de composição diferente enterraram cerca de dois milímetros abaixo uma camada de areia. As formas e composições dos objetos de metal são aparentes. Em geral, filamentação fornece uma série de mecanismos para os efeitos do alvo. O pulso inicial pode fornecer informações sobre a camada de superfície, enquanto que pulsos subsequentes podem fornecer informações sobre porções mais profundas do material através de ablação ou remoção mecânica de camadas superficiais.

Figura 1. A instalação experimental. O laser é de 1 kHz, 50 fs e centrado em 800 nm. É focado com uma lente para alcançar a intensidade (~ 10¹³ W/cm²), para formar filamentos do laser. O objeto está sob a areia e colocar em um estágio da tradução. A luz espalhada é recolhida com um espectrômetro. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2. Sub-diffraction-limited imaging. Imagens remotas geradas pela varredura de um feixe de laser através de um logotipo impresso, Texas A & M, a uma distância de vários metros. a) logotipo fotografado com feixe não-filamentado. b) logotipo fotografado com feixe filamentado. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3. O mapa de químico. Espectralmente e espacialmente resolvidos imagem de objectos de metal enterrado sob areia. a) objetos acima da areia. b) objetos abaixo 2,3 ± 0,3 mm de areia. c) imagem com composição material codificados por cores para metais características espectrais. Imagem composta dos objetos enterrados com alumínio (Al), cobre (Cu), aço inoxidável (SS) correspondente ao vermelho, verde e ciano de cor e componentes, respectivamente clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussão

O método apresentado acima é um protocolo do laboratório para o uso do laser de alta intensidade entregada a distâncias classicamente intratáveis. Das inúmeras aplicações possíveis de tais luz – carros, mentiras, radiação THz, fotoacústica, superradiance, etc. -muitos aplicativos podem entregar ponto informações sobre propriedades de materiais de superfície. Filamentos de Femtosecond laser com tamanho de ponto sub-classical-difração-limitada permite o uso destas técnicas ao fazer a varredura da superfície em uma base de ponto-a-ponto. Este protocolo é uma cama de teste ideal para o desenvolvimento de tais técnicas.

O aspecto mais importante do protocolo é gerar a filamentação do laser. Para gerar a filamentação estável do laser, a intensidade do laser crítico é uns 10¹³ W/cm² e a intensidade de preso é em torno de 1.4x10¹⁴ W/cm² , medido em experimento¹⁶. Não há nenhum filamentação do laser quando a intensidade é alta ou baixa. Se a intensidade é muito alta, o médio pode ser fortemente ionizado no ponto focal e uma avaria do laser induzido acontecerá. Observar-se-á uma faísca brilhante em vez de uma laser filamentação. Nesse caso, atenuar o poder, ou usar uma lente com um comprimento focal mais longo. Por outro lado, se o poder é baixa (sem geração de plasma é observada), aumentar a potência ou usar uma lente com distância focal curta. Além disso, em ambos os casos, vale a pena ajustar o chilro para ajudar a formar uma laser filamentação.

Esta técnica de varredura geralmente é mais adequada para uso em laboratório e prova de conceito em vez de implantação do campo desde remoto sensoriamento no campo geralmente não permite controle fino-estágio da tradução do alvo sob investigação. Esses cenários as mesmas técnicas de laboratório-desenvolvido do laser podem ser usadas, mas o laser em si terá que ser digitalizadas através de feixe mais tradicional métodos como alterar a orientação do próprio aparelho do laser de direção.

O protocolo pode ser facilmente estendido para envolvem experiências com vários filamentos, feixes de filamentos, experimentos de bomba-sonda, espectroscopia de impasse, waveguide ou inúmeras outras possibilidades. Em cada caso, um dos principais obstáculos experimentais é o alinhamento dos pontos focais se cruzam, mas com este protocolo, isto precisa somente ser feito uma vez. Os elementos ópticos são fixados no lugar e a amostra em si é o único objeto necessário para se mover. Isso pode ser feito com precisão, com uma fase de tradução. Ainda mais a modificação do presente protocolo para obter ainda mais controle sobre a localização da distância do filamento formação, incluindo a formação de filamentos em centenas de metros do laser, é possível em princípio pelo controle cuidadoso de pulso de laser a saída. Multi-filamentação também formará um waveguide durante a propagação, que poderá ajudar a entregar uma luz no espaço livre.

Sensoriamento remoto é um assunto amplo que abrange disciplinas como física, química, engenharia, ciências ambientais, etc. O material suplementar, propomos esquemas de sensoriamento remotas adicionais incluindo impasse espectroscopia e superradiance além de filamentação.

Materiais

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