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
Description: Watch this Scientific Journal Video about Femtosecond Laser Filaments for Use in Sub-Diffraction-Limited Imaging and Remote Sensing at JoVE.com

Die Forschung wird unterstützt durch die Office der Naval Research (ONR) (Preis N00014-16-1-2578 und N00014-16-1-3054), Robert A. Welch Foundation (Grant Nr. A-1547, Nr. A-1261), Air Force Büro der wissenschaftlichen Forschung (Award Nr. FA9550-18-1-0141), SMART Fellowship und einen Zuschuss von King Abdulaziz City for Science and Technology (KACST).

1. Erstellung der Femtosekunden-Laser-Wendel
<ol><li>Femtosekunden-Filamente den Ausgang eines Lasers der Klasse 4 erfordern, Verschleiß geeigneten Augenschutz für die besonderen bewertet Lasersystem im Einsatz und schaffen eine klare und gut definierte Strahlführung mit einer entsprechenden Beam Dump. Befolgen Sie alle standard-Laser-Sicherheitsverfahren.</li>
	<li>Beginnen mit der Ausgabe eines gepulsten, verstärkte Femtosekunden-Lasers deren momentane Ausgangsleistung ist größer oder gleich der kritischen Kraft für die Fokussierung selbst in Luft etwa 3,2 GW für eine Exklusivrepräsentation laser bei 800 nm Wellenlänge. Generieren Sie verstärkten Puls in einem kommerziellen Femtosekunden Laser Verstärkersystem des Herstellers Protokoll verwenden. In der Praxis Pulsenergie von etwa 1 mJ für eine rund 35 fs Pulse ist ausreichend. Gute Ergebnisse bei Pulsenergie 2-4 MJ.</li>
	<li>Übergeben Sie den Laserstrahl durch eine Iris, die leicht die Außenkanten clips. Es wird beobachtet, um Fadenbildung, zu fördern, da Fadenbildung bekannt ist, von starken Steigungen und Inhomogenität im räumlichen Intensität Profil des Lasers ausgesät werden.</li>
	<li>Übergeben Sie den Strahl durch die Sammellinse, die hat einer Brennweite von ca. 200 cm oder größer, so dass die geometrische Fokussierung ist nicht so groß, dass selbst Fokussierung wird durch optische Panne oder Beugung überwältigt. Kippen Sie leicht das Objektiv in Bezug auf die Richtung der Ausbreitung, da zusätzliche Anisotropie bekannt ist, zu helfen, selbst Fokussierung Prozess Samen.</li>
	<li>Beobachten Sie einen Faden an einer Stelle in der Nähe der geometrische Mittelpunkt der Linse. Filamentierung von einem diffusen (mehrere-mm-Größe) Halo rund um einen hellen Kern (etwa 100 µm-Größe) zu diagnostizieren. Die Halo auf einem weißen Papier gesehen werden konnte und die hellen Kerne in der Regel Flimmern.<ol>
<li>Darüber hinaus beobachten eines Merkmals Modulation Prozess in der Luft selbst phase der hellen, bunten konischen Emission Ringe erzeugt, die über das Filament sichtbar sind. Für Laser mit Energien, die mehrmals die Schwelle für die Filamentierung sind, werden mehrere Filamente beobachtet. Diese sind als mehrere Lichtblicke in den konischen Emission Muster sichtbar und durch Dämpfung vor der Iris beseitigt werden können.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. remote Scannen von der Zielfläche
<ol><li>Setzen Sie einen zweiachsigen motorisierten Verschiebetisch in der Lage ist, die Probe in die Richtung quer zur Verbreitung des Laserstrahls auf dem Tisch bewegen. Stellen Sie sicher, dass der Laserstrahl auf die Mitte der Bühne Vorfall ist. Schrauben Sie die Bühne mit Schrauben auf den Tisch. Für Laborzwecke ist es im Allgemeinen einfacher, den Laserstrahl im Raum während des Scannens des Ziels unter dem Balken fest zu halten.</li>
	<li>Legen Sie Sand in einen Behälter (5 x 25,4 x 25,4 mm). Die Dicke des Sandes ist ca. 2 mm.<ol>
<li>Setzen Sie die Metalle (Kupfer, Edelstahl, Aluminium) auf der Oberseite Sand (Abb. 3a). Decken Sie die Metalle mit einem anderen 2 mm Schicht aus Sand (Abb. 3 b).</li>
		<li>Stellen Sie mit dem Laser aus der Behälter in der Mitte der Bühne Übersetzung. Stellen Sie sicher, dass das Zentrum des Behälters an der Stelle wo Filamentierung für Schritt 1.1-1.5 beobachtet wird.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Richten Sie den Laser computergesteuert, einen einzigen Schuss wenn elektronisch Feuer geboten. Schreiben Sie ein LabVIEW oder eine ähnliche Computersprache, um die Kontrolle durchführen. Für automatisierte einschüssigen Pulse ist ein externer Trigger erforderlich.<ol>
<li>Einen Trigger TTL Impuls an die externe Trigger-Port auf der Rückseite des Steuermoduls Laser mit einem BNC-Kabel anschließen. Aktivieren Sie die externe Triggeroption auf dem Laser-Steuermodul. Die TTL-Puls löst nun den Laser um einen einzigen Schuss abzufeuern.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Richten Sie den entsprechenden Sensor-Apparat. Richten Sie den Eingang des Spektrometers auf der Auftreffpunkt.<ol>
<li>Verwenden Sie ein Objektiv, um das Licht von Filamentierung Auftreffpunkt in einem Spektrometer zu koppeln. Stellen Sie sicher, dass der Abstand zwischen dem Objektiv und Filamentierung über die Brennweite.</li>
		<li>Verbinden Sie das Spektrometer mit Computer über USB-Kabel. Verwenden Sie Software, um das Spektrum zu überwachen. Öffnen Sie die Software und das Spektrum, und klicken Sie dann auf die Schaltfläche " Ausführen ".</li>
		<li>Verwenden Sie die Maus im Bereich zoomen, die im Experiment aufgezeichnet ist. Optimieren Sie die Spektrometer-Position, nachdem er das Signal auf dem Bildschirm.</li>
		<li>Ersetzen Sie für imaging-Messungen das Spektrometer mit einem Photomultiplier Röhre oder einer CCD-Kamera.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Schreiben Sie ein Programm in LabVIEW oder eine ähnliche Programmiersprache eine Schleife über die folgenden Schritte durchführen: Feuer in eine einzigen aus dem Laser Schuss; sammeln Sie und speichern Sie die resultierenden Daten; Verschieben Sie die Übersetzung-Phase auf die nächste Koordinatenpunkt.</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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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>

Keine Interessenkonflikte erklärt.

Die oben vorgestellte Methode ist ein Laborprotokoll für den Einsatz von Hochleistungs Laser-Licht klassisch hartnäckigen Abständen geliefert. Der zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten von solchen Licht – Autos, FIBS THz-Strahlung, Photoakustik, Superradiance. – viele Anwendungen liefern Punktinformationen über materielle Oberflächeneigenschaften. Femtosekunden-Laser-Filamente mit sub-classical-Beugung begrenzte Spotgröße ermöglicht Einsatz dieser Techniken beim Scannen der Oberfläche auf eine Punkt-für-Punkt-Basis. Dieses Protokoll ist eine ideale Testumgebung für die Entwicklung solcher Techniken.
Der wichtigste Aspekt des Protokolls ist es, die Laser-Filamentierung zu generieren. Um die stabile Laser Filamentierung zu erzeugen, ist die kritische Laserstärke ein paar 1013 W/cm2 und die eingespannte Intensität um 1.4x1014 W/cm2 in Experiment16gemessen. Es gibt keine Laser-Filamentierung, wenn die Intensität entweder hoch oder niedrig ist. Wenn die Intensität zu hoch ist, könnte das Medium stark im Brennpunkt ionisiert werden und ein Laser induzierte Abbau geschieht. Ein heller Funken anstelle eines Laser-Filamentierung werden beobachtet. In diesem Fall vermindern Sie die Kraft zu oder verwenden Sie ein Objektiv mit einer längeren Brennweite. Umgekehrt, wenn die Stromversorgung ist niedrig (keine Plasmaerzeugung wird beobachtet), die Leistung zu erhöhen oder verwenden Sie ein Objektiv mit kurzer Brennweite. Darüber hinaus lohnt sich in jedem Fall Anpassung des Chirp zu helfen, um ein Laser-Filamentierung zu bilden.
Dieser Scan-Technik ist in der Regel besser geeignet für den Laboreinsatz und Proof-of-Concept anstatt Feldeinsatz seit Fernbedienung Sensorik im Bereich in der Regel erlaubt keine feinen Verschiebetisch Kontrolle des Ziels untersucht. In diesen Fällen können die gleichen Labor entwickelten Lasertechniken verwendet werden, aber der Laser selbst durch traditionellere Strahl Lenkung Methoden wie z. B. die Änderung der Ausrichtung des Laser-Apparat selbst gescannt werden müssen.
Das Protokoll kann relativ leicht auf Experimente mit mehrere Fäden, Filament-Bundles, Pumpe-Sonde Experimente, Abstandsbolzen Spektroskopie, Wellenleiter oder zahlreiche andere Möglichkeiten beinhalten ausgedehnt werden. In jedem Fall eine der wichtigsten experimentellen Hürden ist die Ausrichtung der sich kreuzenden fokalen Flecken, aber mit diesem Protokoll dies muss nur einmal durchgeführt werden. Die optischen Elemente sind fixiert und die Probe selbst ist das einzige Objekt erforderlich, um zu bewegen. Dies kann sehr genau mit einem Verschiebetisch erfolgen. Änderung dieses Protokolls zu erreichen, weitere Kontrolle über die Lage der Filament Bildung erreichbar, darunter Fadenbildung auf Hunderte von Metern von der Laser ist im Prinzip durch sorgfältige Kontrolle des Laser Ausgangsimpuls möglich. Multi-Filamentierung bilden auch einen Wellenleiter während der Vermehrung, die dazu beitragen könnte, um ein Licht im freien Raum zu bieten.
Fernerkundung ist ein weites Feld, das umfasst Disziplinen wie Physik, Chemie, Ingenieurwesen, Umweltwissenschaften, etc.. Das ergänzende Material bieten wir zusätzliche remote sensing Systeme einschließlich Abstandswaffe Spektroskopie und Superradiance neben Filamentierung.

Die räumliche Kohärenz und entsprechende kleine Abweichung Winkel des Lasers, die Balken für zahlreiche Anwendungen in der Fernerkundung, geführt haben, einschließlich chemisch empfindlichen Messungen der Atmosphäre1,2, Spektrum-Befund3 und remote-Spektroskopie4. Die gleichen Kohärenz Eigenschaften erlauben sehr enge Fokussierung des Laserlichts, die kontinuierliche liefern können Intensitäten von Milliarden Watt pro Quadratzentimeter konzentriert und gepulste Intensitäten von 1013 Watt pro quadratischen Zentimeter über einen Zeitraum von ein paar Femtosekunden. Solche extreme Intensitäten eignen sich für zahlreiche Anwendungen, einschließlich Prüfung der nichtlinearen optischen Eigenschaften der Materie5, Präzision optische Mikromaterialbearbeitung6, Materialcharakterisierung durch Laser induced breakdown Spektroskopie7, stimulierte Raman-Spektroskopie8,9,10und Spur chemische Detektion11.
Jedoch setzen die physikalischen Grenzen der Gaußsche Lichtstrahlen Grenzen auf die Fähigkeit, diese Eigenschaften von extremer Intensität und kleine Abweichung Winkel gleichzeitig anwenden. Ein Laserstrahl fokussiert auf eine kleine Stelle Größe wird unbedingt mit einem größeren Winkel abweichen. Klassisch, erhält der Abstrahlwinkel Divergenz durch, wo λ ist die Wellenlänge und w0 ist der Radius der Strahl Taille. Da die Abweichung Winkel durch den Durchmesser des Laserstrahls und der Brennweite f von der Fokussierlinse festgelegt ist, und enge Fokussierung ist nicht möglich, in einer Entfernung von mehreren Metern, da f groß wird im Vergleich zu d.
Arbeitnehmer im Bereich der verstärkten Femtosekunden Impulse bemerkt, dass diese Beschränkung der Intensität vs. Sortiment für hochintensive Femtosekunden Impulse, mit verletzt wurde Brandflecken kleiner als die Beugungsgrenze auf Ziele in großer Entfernung von der mit Laser12Ursprung. Dies erwies sich aufgrund der Kerr-Effekt selbst zu konzentrieren. Der Brechungsindex der Luft wird im Verhältnis zu der Intensität der Laser-Bereich geändert, und wenn der Laser eine Gaußsche Intensität Profil hat, wird das resultierende refraktiven Intensität Profil funktional ein Objektiv5. Der Strahl selbst konzentriert sich, wie es propagiert, was in einem engen und intensiven Filament von weniger als 100 µm Radius, deren geringe Größe durch ein dynamisches Gleichgewicht zwischen klassischen Beugung, Kerr selbst konzentrieren und durch Plasma Generation13Defokussierung aufrechterhalten wird.
Mit Femtosekunden-Laser-Filamente können Intensitäten in der Größenordnung von 1013 W/cm2 , Ziele in einer Entfernung von mehreren Metern mit handelsüblichen Femtosekunden zwitscherten Puls Verstärker geliefert werden. So können viele Experimente, die zuvor enge Fokussierung Bedingungen und Ziele ganz in der Nähe ein Objektiv von hoher numerischer Apertur benötigt jetzt in Entfernung eher typisch für Fernerkundungsanwendungen erfolgen. Intensitäten deutlich über dieser Schwelle sind jedoch nicht ohne weiteres möglich mit Filamentierung, wie der Strahl neigt dazu, in mehreren Filamenten aufzubrechen, wo jeder einzelne Faden in der Nähe der kritischen Power ist für die Fokussierung selbst13.
Zahlreiche Anwendungen sind möglich. Wir präsentieren Ihnen ein Protokoll in erster Linie für Bildgebung und Spektroskopie von entfernten Zielen mit einem Femtosekunden Laser Faden über die Zieloberfläche gescannt. Die Versuchsanordnung ist in Abbildung 1dargestellt.

<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

Sondieren entfernte Materie mit Laserlicht ist eine allgegenwärtige Technik unter Umständen so vielfältig wie Laser-induced Breakdown Spectroscopy und Barcode-Scanner. In klassischer Optik ist die Intensität, die auf einem remote-Ziel gebracht werden kann durch die Punktgröße des Lasers in der Entfernung des Ziels beschränkt. Dieser spot-Größe hat eine untere Grenze durch die Beugungsgrenze der klassischen Optik bestimmt. Verstärkte Femtosekunden-Laserpulse erzeugen jedoch Intensität ausreicht, um der Brechungsindex der Umgebungsluft zu ändern und selbst mit Schwerpunkt zu unterziehen. Diese selbst Fokussierung führt zu der Generation von hoch intensiven Laser-Fäden, die behalten ihre Intensität und kleinen Sub-Millimeter Durchmesser Größe in einer Entfernung weit über die klassischen Rayleigh-Länge. Solcher Intensität bietet die Möglichkeit des remote scannen, Bildverarbeitung, Sensorik und Spektroskopie mit verbesserten räumlichen Auflösung. Wir beschreiben eine Methode zur Erzeugung von Filamenten mit einem Femtosekunden regenerativen zwitscherten-Impulsverstärker und für die Verwendung der daraus resultierenden Filament, Bildgebung und spektroskopische Messungen an abgelegenen Strecken von mindestens mehreren Metern durchzuführen.

Die Auflösung der gescannten Bilder ist optisch nur durch die ~ 100 µm begrenzt. Die Übersetzung Bühne Bewegung sollte daher von dieser Größenordnung oder kleiner für maximale Auflösung. Dieses Niveau der Auflösung ist jedoch nicht für alle Messungen notwendig. Dieses Protokoll wurde für bildgebende14 und spektroskopische15 Messungen eingesetzt. Abbildung 1 zeigt den Versuchsaufbau. Der Impuls wird in einem Verstärkersystem erzeugt. Der Puls ist 1 kHz, 50 fs und zentriert bei 800 nm. Abbildung 2 vergleicht einen Scan ein kleines Texas A & M Logo Ziel mit einem Laser auf die Beugungsgrenze im Vergleich zu einem Scan mit einem Filament bildende Strahl getroffen getroffen. Dieses Experiment wurde mit Fäden in flüssigem Wasser durchgeführt, aber die Ergebnisse können für Luft in remote sensing13skaliert werden. Abbildung 3 zeigt räumlich aufgelösten Filament-induzierte Breakdown Spektroskopie Scans von Metallobjekten unterschiedlicher Zusammensetzung etwa zwei Millimeter unter einer Schicht von Sand begraben. Die Formen und Kompositionen von metallischen Gegenständen sind offensichtlich. Im Allgemeinen bietet Filamentierung eine Reihe von Mechanismen für die Ziel-Effekte. Der erste Impuls kann Auskunft über die Oberflächenschicht während nachfolgende Impulse über tiefere Teile des Materials durch Ablation oder mechanische Entfernung der Oberflächenschichten informieren können.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58207/58207fig1.jpg"> Abbildung 1: Der Versuchsaufbau. Der Laser ist 1 kHz, 50 fs und zentriert bei 800 nm. Der Schwerpunkt liegt mit einem Objektiv, die Intensität (~ 1013 W/cm2) Laser-Filamente bilden zu erreichen. Das Objekt befindet sich im Sand und auf einem Verschiebetisch. Das gestreute Licht wird mit einem Spektrometer gesammelt. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58207/58207fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58207/58207fig2.jpg"> Abbildung 2: Sub-diffraction-limitierte Imaging. Remote-Images erzeugt durch das Scannen eines Laserstrahls über Texas A & M Logodruck in einer Entfernung von mehreren Metern. (a) Logo abgebildet mit nicht-Multifilamenten Strahl. (b) Logo abgebildet mit monofilen Strahl. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58207/58207fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58207/58207fig3.jpg"> Abbildung 3. Die chemische Karte. Spektral und räumlich aufgelöst Bild von Metallgegenständen unter Sand begraben. (a) Objekte über Sand. (b) Objekte unter 2,3 ± 0,3 mm Sand. (c) Bild mit Materialzusammensetzung farbcodiert, Metall spektrale Eigenschaften. Zusammengesetztes Bild der vergrabenen Objekte mit Aluminium (Al), Kupfer (Cu) und Edelstahl (SS) entsprechend der rot, grün und Cyan Farbe Komponenten, bzw. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58207/58207fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>

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

Hoher Intensität Femtosekunden Laser Lichtimpulse können Zyklen Kerr selbst auszurichten und Plasma Defokussierung, unterziehen, verbreiten einen intensiven Lichtstrahl sub-millimeter-Durchmesser über große Entfernungen. Wir beschreiben eine Technik zur Erzeugung und Verwendung dieser Filamente durchführen remote imaging und spüren die Grenzen klassischer Beugung der linearen Optik.

Femtosekunden-Laser-Filamente für den Einsatz in Sub-Diffraction-Limited Bildgebung und Fernerkundung

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

Ich freue mich, Professor Sokolov und sein Team vorstellen zu können. Sie waren die ersten, die Hochleistungslaser einsetzten, um Milzbrand in Echtzeit zu erkennen. Das heißt in einer Nanosekunde, nicht in einigen Sekunden.Sie haben dann an anderen Problemen über die Filamentierung von Licht, die Fokussierung von Licht und Möglichkeiten, wie wir diese Techniken nutzen können, um über die Standard-Quantengrenzen zu gehen, gearbeitet. Wir beschreiben ein experimentelles Protokoll zur Verwendung von Femtosekunden-Laserfilamenten, um eine begrenzte Auflösung der Unterbeugung in Entfernungen zu erreichen, die klassisch unlösbar wären. Laserfilamente können eine hohe Intensität und einen Submillimeterdurchmesser über lange Ausbreitungsentfernungen beibehalten.Dies ermöglicht die Erfassung, das Scannen und die Bildgebungsspektroskopie mit verbesserter Auflösung. Die Laser-Filamentation kann in vielen Medien einschließlich Atmosphäre und Wasser erzeugt werden. Die Technik kann an Ozeanoptikstudien angepasst werden.Es ist nicht einfach, die Laser-Filamentierung zu erzeugen. Ein nützlicher Trick ist, das Zwitschern des Pulses einzustellen, um die notwendige Intensität zu erreichen. Heute werden wir also die Experimente zur Filamentierung sehen, die sich von Licht in winzige Fasern konzentrieren, und das ist etwas, was uns, in den gegenwärtigen Kontext, hilft, zu visualisieren, was wir mit den Experimenten tun, von der Erkennung von Milzbrand bis hin zum Betrachten der Meeresoptik.Stellen Sie das Gerät auf einer optischen Bank auf und befolgen Sie die Sicherheitsvorkehrungen für einen Laser der Klasse 4. Um das Filament zu erstellen, verwenden Sie einen gepulsten, verstärkten Femtosekunden-Titan-Saphirlaser. Passieren Sie den Laserstrahl durch eine Iris, die die äußeren Kanten leicht abschneidet.Der scharfe Gradient im räumlichen Intensitätsprofil, der durch das Schneiden des Lasers verursacht wird, ist der Samen-Filamentbildung bekannt. Als nächstes passieren Sie den Strahl durch eine konvergierende Linse mit einer Brennweite von mehr als 200 Zentimetern. Helfen Sie der Selbstfokussierung des Samens, indem Sie die Linse in Bezug auf die Ausbreitungsrichtung leicht kippen.Ordnen Sie nach dem geometrischen Fokus der Linse einen geeigneten Balkenabwurf an. Um ein Filament zu beobachten, bedienen Sie den Laser mit einer sofortigen Ausgangsleistung, die für die Selbstfokussierung in der Luft ausreicht. Suchen Sie mit weißem Papier nach Filamentierungen in der Nähe des geometrischen Fokus der Linse.Mit dem Papier im Strahlweg suchen Sie nach einem diffusen Halo von mehreren Millimetern, der einen flackernden, hellen Kern von etwa 100 Mikrometern umgibt. Machen Sie weitere Beobachtungen über das Filament hinaus. Dort sind helle, bunte, konische Emissionsringe das Ergebnis eines charakteristischen selbstphasigen Modulationsprozesses in der Luft.Mehrere helle Flecken weisen darauf hin, dass es mehrere Filamente gibt. Um die hellen Flecken zu beseitigen, führen Sie Dämpfung in den Strahl vor der Iris. Mit der richtigen Dämpfung werden die hellen Flecken im konischen Emissionsmuster eliminiert.Bereiten Sie sich darauf vor, einen Test des Remote-Scannens mit dem Laser durchzuführen. Sichern Sie eine zweiachsige motorisierte Übersetzungsstufe im Strahlweg, sodass sie senkrecht zum Strahl übersetzt wird. Stellen Sie sicher, dass das Laserstrahl-Filament in der Mitte der Bühne einfällt.Erstellen Sie als Nächstes ein Ziel, das mit dem System scannt werden soll. Besorgen Sie sich einen Behälter und legen Sie zwei Millimeter Sand auf den Boden. Setzen Sie Kupfer-, Aluminium- und Edelstahlobjekte auf die Sandschicht.Dann legen Sie eine weitere Zwei-Millimeter-Schicht Sand auf die Metalle. Mit dem Laser aus, legen Sie den Behälter in der Mitte der Übersetzungsstufe, wo die Filamentierung auftritt. Um Daten zu sammeln, schließen Sie die Spektrometerausgabe an den Computer an.Richten Sie den externen Trigger und die Computersteuerung für den Laser ein, um einen einzigen Schuss abzufeuern. Als nächstes stellen Sie das Sensorgerät ein. Positionieren Sie in diesem Fall ein Spektrometer so, dass sein Eingang am Filamentierungs-Aufprallpunkt auf der Übersetzungsstufe zeigt.Verwenden Sie die Linse, um Licht vom Aufprallpunkt in das Spektrometer zu koppeln. Platzieren Sie die Linse von einer bis zwei Brennweiten, von wo aus die Filamentierung auftritt. Lösen Sie den Laser per Software aus und notieren Sie das Signal vom Spektrometer.Diese Anordnung aus Kupfer, Aluminium und Edelstahl ist unter etwa zwei Millimeter Nähsand verdeckt. Die spektralen Merkmale der vergrabenen Metalle, gemessen durch das Setup, ermöglichen die Erstellung eines zusammengesetzten Bildes mit Kupfer in Grün, Aluminium in Rot und Edelstahl in Cyan. Ein nicht filamentierter Laserstrahl an der Beugungsgrenze, der über ein kleines, gedrucktes Texas A&M-Logo gescannt wird, zeigt keinen erkennbaren Text an.Im Gegensatz dazu erzeugt ein über das Logo gescannter fadenförmiger Laserstrahl ein Bild mit erkennbaren Elementen. Pulsenergie und -intensität sind sehr wichtige Parameter für die Erzeugung von Laserfilamentierung. Die Verwendung von Laserfilamentierung in der Fernspektroskopie kann das Signal-Rausch-Verhältnis bei der Fernerkundung erhöhen.Diese Technik ebnete den Weg zur hohen Spektralauflösung in der Fernerkundung. Laser der Klasse 4, die für diese Arbeit notwendig sind, sind gefährlich. Experimentatoren sollten persönliche Schutzausrüstung tragen und alle Sicherheitsprotokolle befolgen.

Research

JoVE Journal

Engineering

Synthesis and Operation of Fluorescent-core Microcavities for Refractometric Sensing

Synthese und Betrieb von Leuchtstofflampen-core Mikrokavitäten für Refraktometrische Sensing

This paper discusses  fluorescent core microcavity-based sensors that can operate in a microfluidic  analysis setup. These structures are based on the ...

Forschung

Ingenieurwesen

Measurement of Coherence Decay in GaMnAs Using Femtosecond Four-wave Mixing

The application of femtosecond four-wave mixing to the study of fundamental properties of diluted magnetic semiconductors ((s,p)-d hybridization, ...

Spatial Separation of Molecular Conformers and Clusters

Räumliche Trennung von molekularen Konformen und Clustern

Gas-phase molecular physics and physical chemistry experiments commonly use supersonic expansions through pulsed valves for the production of cold ...

Use of a Multi-compartment Dynamic Single Enzyme Phantom for Studies of Hyperpolarized Magnetic Resonance Agents

Die Verwendung eines Mehrfach Dynamische einzelner Enzym-Phantom für Studien von hyperpolarisiertem Magnetic Resonance Agents

Imaging of hyperpolarized substrates by magnetic resonance shows great clinical promise for assessment of critical biochemical processes in real time. Due ...

Compact Lens-less Digital Holographic Microscope for MEMS Inspection and Characterization

Compact-Objektiv lose digitale holografische Mikroskop für MEMS-Inspektion und Charakterisierung

A micro-electro-mechanical-system (MEMS) is a widely used component in many industries, including energy, biotechnology, medical, communications, and ...

Applying X-ray Imaging Crystal Spectroscopy for Use as a High Temperature Plasma Diagnostic

Anwenden von Röntgen Imaging Kristall Spektroskopie für den Einsatz als Hochtemperatur-Plasmadiagnose

X-ray spectra provide a wealth of information on high temperature plasmas; for example electron temperature and density can be inferred from line ...

Fabrication of 1-D Photonic Crystal Cavity on a Nanofiber Using Femtosecond Laser-induced Ablation

Die Herstellung von 1-D Photonic Kristallhöhle auf einer Nanofaser Mit Femtosekunden-Laser-induzierte Ablation

We present a protocol for fabricating 1-D Photonic Crystal (PhC) cavities on subwavelength-diameter tapered optical fibers, optical nanofibers, using ...

Fabrication of Polymer Microspheres for Optical Resonator and Laser Applications

Herstellung von Polymer-Mikrosphären für optische Resonator- und Laseranwendungen

This paper describes three methods of preparing fluorescent microspheres comprising &#960;-conjugated or non-conjugated polymers: vapor diffusion, ...

Drawing and Hydrophobicity-patterning Long Polydimethylsiloxane Silicone Filaments

Zeichnung und Hydrophobie-Musterung lange Polydimethylsiloxan Silikon Filamente

Polydimethylsiloxane (PDMS) silicone is a versatile polymer that cannot readily be formed into long filaments. Traditional spinning methods fail because ...

Robotic Sensing and Stimuli Provision for Guided Plant Growth

Robotic Sensing und Stimuli-Regelung für geführtes Pflanzenwachstum

Robot systems are actively researched for manipulation of natural plants, typically restricted to agricultural automation activities such as harvest, ...