Name: femtosecond laser filaments for use in sub-diffraction-limited imaging and remote sensing
Uploaded: 2019-04-25T12:30:00
Duration: 6 min 16 s
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这项研究得到了海军研究办公室 (NR) (N0004-1-2578 奖和 N00014-16-1-3054 奖)、罗伯特·韦尔奇基金会 (赠款号) 的支持。A-1547, 否。A-1261), 空军科学研究办公室 (第1号)FA955-18-1-0141), SMART 研究金和阿卜杜勒阿齐兹国王科技城的一笔赠款。

1. 飞秒激光长丝的创建
<ol><li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。<ol>
<li>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。</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. 目标表面的远程扫描
<ol><li>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。</li>
	<li>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。<ol>
<li>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)。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
</li>
	<li>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。<ol>
<li>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。</li>
	</ol>
</li>
	<li>设置适当的传感器设备。设置指向撞击点的光谱仪入口。<ol>
<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>对于成像测量, 请将光谱仪替换为光电倍增管或 CCD 摄像机。</li>
	</ol>
</li>
	<li>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。</li>
</ol>

<ol>
	<li>Kocharocsky, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gain-swept+superrandiance+applied+to+the+stand-off+detection+of+trace+impurities+in+the+atmosphere.">Gain-swept superrandiance applied to the stand-off detection of trace impurities in the atmosphere.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 102 (22), 7806-7811 (2005).</li><li>Hemmer\, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Standoff+spectroscopy+via+remote+generation+of+a+backward-propagation+laser+beam.">Standoff spectroscopy via remote generation of a backward-propagation laser beam.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108 (8), 3130-3134 (2011).</li><li>Zuber, M. 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O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=FAST+CARS:+Engineering+of+a+laser+spectroscopic+technique+for+rapid+identification+of+bacterial+spores.">FAST CARS: Engineering of a laser spectroscopic technique for rapid identification of bacterial spores.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 99 (17), 10994-11001 (2002).</li><li>Pestov, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimizing+the+laser-pulse+configuration+for+coherent+Raman+spectroscopy.">Optimizing the laser-pulse configuration for coherent Raman spectroscopy.</a> Science. 316 (5822), 265-268 (2007).</li><li>Braun, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Self-channeling+of+high-peak-power+femtosecond+laser+pulses+in+air.">Self-channeling of high-peak-power femtosecond laser pulses in air.</a> Optics Letters. 20 (1), 73-75 (1995).</li><li>Couairon, A., Mysyrowicz, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Femtosecond+filamentation+in+transparent+media.">Femtosecond filamentation in transparent media.</a> Physics Reports. 441, 47-189 (2007).</li><li>Wang, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Remote+sub-diffraction+imaging+with+femtosecond+laser+filaments.">Remote sub-diffraction imaging with femtosecond laser filaments.</a> Optics Letters. 37 (8), 1343-1345 (2012).</li><li>Strycker, B. D., Wang, K., Springer, M. D., Sokolov, A. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chemical-specific+imaging+of+shallowly+buried+objects+using+femtosecond+laser+pulses.">Chemical-specific imaging of shallowly buried objects using femtosecond laser pulses.</a> Applied Optics. 52 (20), 4792-4796 (2013).</li><li>Heck, G., Sloss, J., Levis, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Adaptive+control+of+the+spatial+position+of+white+light+filaments+in+an+aqueous+solution.">Adaptive control of the spatial position of white light filaments in an aqueous solution.</a> Optics Communications. 259 (1), 216-222 (2006).</li><li>Li, H. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Critical+power+and+clamping+intensity+inside+a+filament+in+a+flame.">Critical power and clamping intensity inside a filament in a flame.</a> Optics Express. 24 (4), 3424 (2016).</li></ol>

未申报利益冲突。

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 x1014 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。

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。

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Femtosecond laser system</td>
			<td>Coherent Co</td>
			<td>Legend Elite System</td>
			<td>1 kHz system, fs system pulse energy 4 mJ</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>IRIS</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>id25</td>
			<td>Mounted Standard Iris, &#216;25.0 mm Max Aperture, TR3 Post</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lens</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>LA1908-C</td>
			<td>L=50 cm, Plano-Convex Lenses (AR Coating: 1050 - 1700 nm)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mirrors</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>PF10-03-P01</td>
			<td>Plano metallic mirror</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Photodetector</td>
			<td>Hamamatsu</td>
			<td>H12694</td>
			<td>Thermoelectric cooled NIR-PMT unit</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spectrometer</td>
			<td>Ocean Optics</td>
			<td>OCEAN_HDX_VIS_NIR</td>
			<td>Spectrometer, high dynamic range, 350-950</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Translation Stage</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>PT3-Z8</td>
			<td>25 mm (0.98&#34;) Three-Axis Motorized Translation Stage, 1/4&#34;-20 Taps</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

femtosecond laser filaments for use in sub-diffraction-limited imaging and remote sensing

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。

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。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58207/58207fig1.jpg"> 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。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58207/58207fig1large.jpg" target="_blank">请点击这里查看此图的较大版本.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58207/58207fig2.jpg"> 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。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58207/58207fig2large.jpg" target="_blank">请点击这里查看此图的较大版本.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58207/58207fig3.jpg"> 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,<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58207/58207fig3large.jpg" target="_blank">请分别点击此处查看此图的较大版本.</a>

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Femtosecond Laser Filaments for Use in Sub-Diffraction-Limited Imaging and Remote Sensing

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。

飞秒激光丝在亚衍射有限成像和遥感中的应用

Probing remote matter with laser light is a ubiquitous technique used in circumstances as diverse as laser-induced breakdown spectroscopy and barcode ...

我很高兴地介绍索科洛夫教授和他的团队。他们是第一个使用大功率激光实时检测炭热的人。也就是说，在一纳秒，而不是几秒钟。然后，他们继续研究其他问题，如光的灯丝化，光的聚焦，以及我们可以如何使用这些技术超越标准量子极限。我们描述了一个实验协议，使用飞秒激光丝，以便在难以解决的距离上实现亚衍射有限分辨率。激光丝可以在长传播距离内保持高强度和亚毫米直径。这可实现传感、扫描、成像光谱，具有增强的分辨率。激光灯丝可以在许多介质中产生，包括大气和水。该技术可应用于海洋光学研究。产生激光丝是不容易的。一个有用的技巧是调整脉冲的鸣叫声，以达到必要的强度。因此，今天我们将看到关于丝丝化的实验，将光聚焦到微小的纤维中，这是一些有助于我们可视化实验，从检测炭热到看海洋光学的东西。将设备放在光学工作台上，并遵循 4 类激光的安全预防措施。要创建灯丝，请使用脉冲放大的飞秒钛蓝宝石激光器。激光束穿过稍微夹着外边缘的虹膜。剪裁激光引起的空间强度剖面的锐化梯度已知为种子丝的形成。接下来，通过焦距大于 200 厘米的收敛透镜传递光束。通过稍微倾斜镜头与传播方向，帮助种子进行自聚焦。在镜头的几何焦点之后安排适当的光束转储。要观察灯丝，请使用足以在空气中自聚焦的瞬时输出功率操作激光器。使用白纸查找镜头几何焦点附近的灯丝。随着纸张在光束路径，寻找一个扩散的光环几毫米围绕闪烁，明亮的核心约100微米。在灯丝之外进行进一步观察。在那里，明亮、多彩、圆锥体发射环是空气中具有特征的自相调制过程的结果。多个亮点表示有多个灯丝。要消除亮点，请引入虹膜前的光束衰减。通过适当的衰减，消除了锥形发射模式中的亮点。准备使用激光进行远程扫描测试。在光束路径中固定双轴电动平移阶段，以便其垂直于光束的平移。确保激光束丝在舞台中心发生。接下来，创建一个目标以使用系统进行扫描。获取一个容器，并在其底部放置两毫米的沙子。将铜、铝和不锈钢物体放在砂层的顶部。然后，在金属上再放一层两毫米的沙子。关闭激光后，将容器置于发生丝丝的转换阶段的中心。为了收集数据，请将光谱仪输出连接到计算机。设置外部触发器和计算机控制，使激光发射一枪。接下来设置传感器装置。在这种情况下，将光谱仪定位到翻译阶段的灯丝冲击点，以便其入口点。使用镜头将来自冲击点的光线与光谱仪进行对。将镜头从一到两个焦距放置，从灯丝发生的地方开始。通过软件触发激光并记录来自光谱仪的信号。这种铜、铝和不锈钢的排列被遮盖在大约两毫米的沙子下面。通过设置测量的埋藏金属的光谱特征允许创建以绿色铜、红色铝和青色不锈钢的复合图像。在小型、印刷的德州 A&M 徽标上扫描的衍射极限下的非丝丝激光束不会显示可识别的文本。相比之下，在徽标上扫描的丝丝激光束会生成具有可识别元素的图像。脉冲能量和强度是产生激光丝的重要参数。在遥感中使用激光灯丝可提高遥感中的信噪比。该技术为实现遥感的高光谱分辨率铺平了道路。这项工作所需的4类激光是危险的。实验者应佩戴个人防护设备，并遵守所有安全规程。

Research

JoVE Journal

Engineering

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