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

המחקר נתמך על ידי המשרד של חיל הים מחקר (האיש) (פרס N00014-16-1-2578 ו- N00014-16-1-3054), רוברט א ולש קרן (מענק מס ' A-1547, מס A-1261), חיל האוויר Office של מחקר מדעי (פרס מס ' FA9550-18-1-0141), חכם מלגת מענק של המלך אירנה קרסנוסצ'יוקי העיר לענייני מדע וטכנולוגיה (KACST).

1. יצירה של חוט הלהט לייזר הפמטו-שנייה
<ol><li>כמו חוטים הפמטו-שנייה לדרוש את הפלט של לייזר מחלקה 4, הגנה העין המתאימות ללבישה מדורג עבור המסוימת לייזר המערכת בשימוש, לייסד קרן ברור ומוגדר היטב עם ה-dump קרן המתאים. בצע את כל נהלי בטיחות בלייזר סטנדרטי.</li>
	<li>להתחיל עם הפלט של לייזר הפמטו-שנייה פעמו, מוגבר שכוחם פלט מיידי הוא גדול או שווה לכוח קריטיים למיקוד עצמית באוויר, בערך 3.2 GW עבור Ti:Sapphire לייזר-800 גל nm. צור דופק מוגבר בתוך מערכת מגבר לייזר הפמטו-שנייה מסחרי באמצעות הפרוטוקול של היצרן. בפועל, הדופק האנרגיה של 1 mJ במשך כ 35 fs הדופק מספיקה. תוצאות טובות מתקבלים עם הדופק האנרגיה של 2-4 mJ.</li>
	<li>עוברים קרן הלייזר דרך קשתית העין זה מעט קליפים השוליים החיצוניים. הוא ציין לקדם היווצרות נימה, מאז היווצרות הלהט ידוע להיות זרועה על-ידי מעברי צבע חדה, inhomogeneity בפרופיל בעוצמה המרחבי של הלייזר.</li>
	<li>להעביר את קרן דרך העדשה מתכנסים בעלת אורך מוקד של 200 ס מ או יותר, כך התמקדות גיאומטרי הוא לא כל כך גדול כך עצמית התמקדות היא מוצפת התמוטטות אופטי או עקיפה. מעט להטות את העדשה ביחס לכיוון של התפשטות, מאז חיזקו נוספים וידועה בעזרה זרע תהליך עצמית התמקדות.</li>
	<li>להתבונן על נימה במיקום בקרבת המוקד גיאומטרי של העדשה. לאבחן filamentation על-ידי ' מאטום לשקוף ' (מספר מ מבגודל) הילה סביב גרעין בהיר (כ 100 מיקרומטר-בגודל). אפשר היה לראות את ההילה על נייר לבן, בהיר הליבות בדרך כלל להבהב.<ol>
<li>בנוסף, להתבונן מאפיין עצמית שלב תהליך אפנון באוויר, אשר מייצר טבעות פליטה חרוט בהיר, צבעוני הגלויים מעבר חוט הלהט. עבור לייזרים עם אנרגיות המצויות מספר פעמים את הסף עבור filamentation, חוטים מרובים הם נצפו. אלה נראים כמו כתמים בהירים מרובות בתבנית פליטה חרוט, ניתן לסלק על-ידי הנחתה בעבר הקשתית.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. סריקה מרחוק של פני השטח יעד
<ol><li>לשים שלב התרגום ממונע דו-ממדית מסוגל להעביר את הדגימה בכיוון רוחבי כדי התפשטות של קרן הלייזר על השולחן. ודא כי קרן הלייזר התקרית על מרכז הבמה. בולט על הבמה על השולחן עם ברגים. למטרות מעבדה, בדרך כלל קל יותר לשמור על קרן הלייזר קבועה בחלל בעת סריקת המטרה תחת הקורה.</li>
	<li>מקום חול במיכל (5 מ מ x 25.4 מ"מ x 25.4 מ"מ). העובי של חול הוא בערך 2 מ מ.<ol>
<li>לשים המתכות (נחושת, נירוסטה, אלומיניום) על החול (איור 3 א). מכסים את המתכת עם שכבה נוספת של 2 מ מ של חול (איור 3b).</li>
		<li>עם הלייזר חופש, לשים את המיכל במרכז הבמה תרגום. ודא כי המרכז של מיכל הוא במיקום שבו filamentation הוא ציין עבור שלב 1.1-1.5.</li>
	</ol>
</li>
	<li>הגדר בקרת מחשב של הלייזר לירות ירייה אחת כאשר אלקטרונית ציווה. לכתוב LabVIEW או בשפת מחשב דומה כדי לבצע את הפקד. עבור אוטומטית פולסים קליע בודד, בגורם מפעיל חיצוני נדרש.<ol>
<li>להתחבר טריגר TTL הדופק ליציאה טריגר חיצוני מאחור מודול בקרת לייזר עם כבל BNC. להפעיל את האפשרות טריגר חיצוני על מודול בקרת לייזר. הדופק TTL עכשיו יפעילו את הלייזר לירות ירייה אחת.</li>
	</ol>
</li>
	<li>להרכיב את המערכת חיישן המתאים. להגדיר את הכניסה של ספקטרומטר מצביע על נקודת השפעה.<ol>
<li>להשתמש כמה האור מנקודת הפגיעה filamentation לתוך ספקטרומטר העדשה. ודא כי המרחק בין העדשה לבין filamentation הוא על אורך המוקד.</li>
		<li>התחבר ספקטרומטר את המחשב באמצעות כבל USB. השתמש בתוכנה כדי לפקח על הספקטרום. לפתוח את התוכנה ואת הספקטרום ולאחר מכן לחץ על הלחצן ' הפעל '.</li>
		<li>השתמש בעכבר כדי להגדיל את טווח המתועד לניסוי. למטב את המיקום ספקטרומטר אחרי שראיתי את האות על המסך.</li>
		<li>הדמיה מדידות, החלף את ספקטרומטר צינור האופטיקה או מצלמת CCD.</li>
	</ol>
</li>
	<li>כתוב תוכנית LabVIEW או שפה דומה למחשב לבצע לולאה על השלבים הבאים: אש. יריה בודדת הלייזר; לאסוף ולשמור את הנתונים המתקבלים; להעביר את הבמה תרגום קואורדינטות הנקודה הבאה.</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. T., 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=The+Mars+Observer+laser+altimeter+investigation.">The Mars Observer laser altimeter investigation.</a> Journal of Geophysical Research. 97, 7781 (1992).</li><li>Mejean, G., 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+detection+and+identification+of+biological+aerosols+using+a+femtosecond+terawatt+lidar+system.">Remote detection and identification of biological aerosols using a femtosecond terawatt lidar system.</a> Applied Physics B: Lasers and Optics. 78 (5), 535-537 (2004).</li><li>Boyd, R. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Nonlinear Optics. , (2008).</li><li>Gattass, R. R., Mazur, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Femtosecond+laser+micromachining+in+transparent+materials.">Femtosecond laser micromachining in transparent materials.</a> Nature Photonics. 2, 219-225 (2008).</li><li>Tognoni, E., Palleschi, V., Corsi, M., Christoforetti, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitative+micro-analysis+by+laser-induced+breakdown+spectroscopy:+a+review+of+the+experimental+approaches.">Quantitative micro-analysis by laser-induced breakdown spectroscopy: a review of the experimental approaches.</a> Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy. 57 (7), 1115-1130 (2002).</li><li>Beadie, G., 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=Toward+a+FAST+CARS+anthrax+detector:+coherence+preparation+using+simultaneous+femtosecond+laser+pulses.">Toward a FAST CARS anthrax detector: coherence preparation using simultaneous femtosecond laser pulses.</a> Optics Communications. 244, 423-430 (2005).</li><li>Scully, M. 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>

שאין ניגודי אינטרסים הכריז.

השיטה המובאת לעיל הוא פרוטוקול המעבדה לשימוש של אור לייזר בעוצמה גבוהה גאל סורר בסגנון קלאסי במרחקים. היישומים האפשריים רבים של כזה אור – מכוניות, fibs שעברה, קרינה THz, photoacoustics, superradiance, וכו '. – יישומים רבים שיכולים לספק נקודת מידע אודות תכונות פני השטח של חומר. חוטים לייזר הפמטו-שנייה בגודל נקודה משנה-classical עקיפה-מוגבל מאפשר שימוש של טכניקות אלה בעת סריקת פני השטח על בסיס מדוקדק. פרוטוקול זה היא מיטה מבחן אידיאלי לפיתוח של טכניקות אלה.
הפן הקריטי ביותר של הפרוטוקול היא לייצר את filamentation לייזר. כדי להפיק את filamentation לייזר יציב, עוצמת לייזר קריטי הוא מספר 1013 W/cm2 והוא עוצמת בחוזקה סביב 1.4x1014 W/cm2 נמדד ניסוי16. יש אין filamentation לייזר כאשר עוצמת הוא גבוה או נמוך. אם עוצמת הוא גבוה מדי, המדיום עשויים להיות ionized חריפה-מוקד, לייזר המושרה פריצה מטה יקרה. ניצוץ בהיר במקום filamentation לייזר יתקיימו. במקרה הזה, להחליש את הכוח או להשתמש עדשות עם אורך מוקד ארוך יותר. לעומת זאת, אם מתח נמוך (דור פלזמה לא נצפית), להגדיל את הכוח או להשתמש עדשות עם אורך מוקד קצר. יתר על כן, בכל מקרה, יש להתאים את מעוצבנת כדי לעזור לילדים ליצור של filamentation לייזר.
טכניקה סריקה זו בדרך כלל מתאים יותר לשימוש מעבדה, הוכחה הרעיון במקום השדה פריסת מאז מרחוק חישה בשדה בדרך כלל אינו מאפשר תרגום בסדר-שלב הבקרה של המטרה תחת חקירה. בתרחישים אלה אותן טכניקות שפותחו במעבדה לייזר יכול לשמש, אבל הלייזר עצמו יהיה שיסרק דרך קרן מסורתיים יותר היגוי שיטות כגון שינוי הכיוון של המנגנון לייזר עצמה.
הפרוטוקול יכול ניתן להרחיב בקלות יחסית לערב ניסויים עם חוטים מרובים, חבילות נימה, משאבת-בדיקה ניסויים, תיקו ספקטרוסקופיה, גלבו או אינספור אפשרויות אחרות. בכל מקרה, אחד המכשולים העיקריים ניסיוני הוא היישור של המקומות מוקד מצטלבים, אבל עם פרוטוקול זה, זה צריך להיעשות רק פעם אחת. אלמנטים אופטיים קבועים במקום, הדגימה עצמה היא האובייקט היחידי הנדרש כדי לעבור. זה יכול להיעשות במדויק עם שלב התרגום. עוד שינוי של פרוטוקול זה כדי להשיג שליטה נוספת המיקום של המרחק היווצרות נימה, כולל פילמנט היווצרות מאות מטרים הלייזר, אפשרי באופן עקרוני על ידי בקרה על הדופק לייזר פלט. מולטי-filamentation יהיה גם טופס גלבו במהלך התפשטות, אשר יכול לעזור לספק אור שטח פנוי.
חישה מרחוק היא נושא רחב המתפרס על דיסציפלינות כגון פיזיקה, כימיה, הנדסה, מדעי הסביבה, וכו '. בחומר משלים, אנו מציעים ערכות חישה מרחוק נוספים לרבות להתנתק ספקטרוסקופיה ו superradiance בנוסף filamentation.

קוהרנטיות מרחבית של הזווית המתאימה סטייה קטנה של לייזר קורות הובילו יישומים רבים, חישה מרחוק, כולל מדידות רגיש מבחינה כימית של האווירה1,2, למציאת טווח3, ספקטרוסקופיה מרוחק4. אותם מאפיינים קוהרנטיות מאפשרים מאוד התמקדות חזק של אור לייזר שיכולים לספק רציפה ממוקד עוצמות של מיליארדי וואט לסנטימטר מרובע ו פעמו עוצמות של 10 ואט13 לכל סנטימטר מרובע על פני תקופה של כמה femtoseconds. עוצמות קיצוני כזה שימושיים עבור יישומים רבים, לרבות בחינת מאפייני אופטית לא-ליניאריות משנה5, דיוק אופטי לעבד6, אפיון חומרים באמצעות לייזר-induced-פירוט ספקטרוסקופיה7,9,8,ספקטרוסקופיית ראמאן מגורה10ועקבות זיהוי כימי11.
עם זאת, המגבלות הפיזיות של קורות גאוסיאנית להגדיר גבולות היכולת להחיל מאפיינים אלה של עוצמת קיצוני והזווית סטייה קטנה בו זמנית. קרן לייזר ממוקדת לגודל נקודה קטנה יהיה לסטות בהכרח עם זווית גדול. בסגנון קלאסי, קרן דיברגנץ הזווית מבוטאת על ידי, איפה λ הוא אורך הגל ו- w0 הוא הרדיוס של המותניים קרן. מאז הזווית סטייה מוגדרת על-ידי הקוטר של קרן הלייזר ואת אורך המוקד f של העדשה התמקדות, מיקוד חזק אינה אפשרית במרחקים של מטרים רבים כמו f הופך להיות גדול בהשוואה ל- d.
עובדים בתחום הפמטו-שנייה מוגבר פעימות לב כי הגבלה זו על עוצמת לעומת טווח היה הפר על פולסים הפמטו-שנייה בעוצמה גבוהה, עם סימני הכוויות קטן יותר ממגבלת עקיפה המופיעים על מטרות במרחק גדול שמקורם לייזר12. זה נמצא עקב אפקט קר עצמית התמקדות. מקדם שבירה של האוויר משתנה בפרופורציה עוצמת השדה לייזר, כאשר הלייזר יש פרופיל בעוצמה לפי עקומת גאוס, הפרופיל עוצמת השבירה וכתוצאה מכך הופך באופן פונקציונלי עדשה5. הקרן מתמקדת עצמית כפי היא מפיצה, וכתוצאה מכך נימה צר ונמרץ של פחות מ- 100 רדיוס µm גודל קטן אשר נשמר על ידי איזון דינמי בין עקיפה קלאסית, קר עצמית התמקדות ו defocusing בשל פלזמה הדור13.
זיריהם לייזר הפמטו-שנייה, עוצמות גודל13 10 W/cm2 יכול להיות מועברת אל המטרות במרחקים של מטרים רבים עם מגברים chirped...-הדופק בפמטושניות זמין מסחרית. לפיכך, ניסויים רבים אשר בעבר נדרש מטרות קרוב מאוד עדשה של מפתח נומרי גבוהה ותנאים התמקדות חזק יכול להיעשות עכשיו ממרחק אופיינית של יישומי חישה מרחוק. עם זאת, עוצמות הרבה יותר גבוה מסף זה אינן אפשריות בקלות עם filamentation, כפי הקורה נוטה מתחלקים חוטים מרובים איפה כל פילמנט בודדים ליד הכוח קריטי למיקוד עצמית13.
יישומים רבים אפשריים. אנו מציגים פרוטוקול החלים בעיקר הדמיה וספקטרוסקופיה של יעדים מרוחקים באמצעות של פילמנט לייזר הפמטו-שנייה שנסרקו על פני המטרה. הגדרת הניסוי מוצג באיור1.

<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

חיטוט עניין מרחוק עם אור לייזר היא טכניקה בכל מקום המשמש בנסיבות מגוונים כגון סורקים ספקטרוסקופיה ו ברקוד לייזר המושרה התמוטטות. באופטיקה קלאסית, עוצמת ולכל לשאת יעד מרוחק מוגבל לפי גודל ספוט הלייזר ממרחק של היעד. בגודל נקודה זו יש מאוגד התחתונה שקבע את הגבול עקיפה של אופטיקה קלאסית. עם זאת, פעימות לייזר הפמטו-שנייה מוגבר להפיק עוצמה מספיק כדי לשנות את מקדם שבירה של טמפרטורת האוויר ומבצעת עצמית התמקדות. אפקט עצמית התמקדות זה מוביל הדור של חוטים לייזר חזקה ביותר המקיימות שלהם העוצמה וגודל קטן מילימטר קוטר במרחקים הרבה מעבר האורך ריילי קלאסית. בכזאת עוצמה מספקת את היכולת של מרחוק סריקת הדמיה, חישה, ספקטרוסקופיה עם רזולוציה מרחבית משופרת. אנו מתארים טכניקה ליצירת חוטים עם מגבר chirped...-הדופק משובי הפמטו-שנייה, ואת השימוש את הסיב וכתוצאה מכך לערוך מדידות הדמיה, ספקטרוסקופיות במרחקים מרחוק לפחות מספר מטרים.

הרזולוציה של תמונות סרוקות מוגבל שטיחות רק על ידי ~ 100 מיקרומטר. לכן, ההצעה שלב התרגום צריך להיות של זה סדר גודל או להקטין הרזולוציה המרבית. עם זאת, רמה זו של רזולוציה אינו הכרחי עבור כל המדידות. פרוטוקול זה משמש הדימות14 ומדידות ספקטרוסקופיות15 . איור 1 מציג את הגדרת הניסוי. הדופק נוצרת מערכת מגבר. הדופק הוא קילוהרץ 1, 50 fs, וממורכז ב 800 ננומטר. איור 2 משווה סריקה של קטן טקסס A & M לוגו מטרה שצולמו באמצעות לייזר על גבול עקיפה בהשוואה סריקה עם קרן להיוות נימה. הניסוי התבצע בעזרת חוטים במים זורמים, אך התוצאות עשוי להיות שקנה המידה שלה השתנה אוויר חישה מרחוק13. איור 3 מראה במרחב-נפתרה התמוטטות הנוצרות על-ידי פילמנט סריקות ספקטרוסקופיה של חפצי מתכת של הרכב שונה קבורים כ-2 מ מ מתחת שכבה של חול. צורות של קומפוזיציות של האובייקטים מתכת נראים לעין. באופן כללי, filamentation מספק מספר מנגנונים לאפקטים היעד. הדופק הראשוני יכול לספק מידע על שכבת פני השטח, בעוד פעימות עוקבות יכול לספק מידע על חלקים עמוק יותר של החומר באמצעות אבלציה או מכני הסרת שכבות פני השטח.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58207/58207fig1.jpg"> איור 1. הגדרת הניסוי. הלייזר הוא קילוהרץ 1, 50 fs, וממורכז ב 800 ננומטר. . היא ממוקדת עם עדשה כדי להגיע את העוצמה (~ 1013 W/cm2) כדי ליצור לייזר חוטים. האובייקט תחת חול ולהניח על שלב התרגום. האור מפוזר נאסף עם ספקטרומטר. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58207/58207fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58207/58207fig2.jpg"> באיור 2. משנה-diffraction-מוגבלת הדמיה- תמונות מרחוק שנוצרו על-ידי סריקת קרן לייזר על פני סמל טקסס A & M המודפס ממרחק של כמה מטרים. a) לוגו עם תמונה עם קרן filamented. b) לוגו עם תמונה עם קרן filamented. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58207/58207fig2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58207/58207fig3.jpg"> איור 3. המפה כימי. Spectrally והמרגשים נפתרה התמונה של חפצי מתכת קבורה מתחת חול. a) אובייקטים מעל חול. b) אובייקטים מתחת 2.3 ± 0.3 מ מ של חול. ג) תמונה להרכב גשמי מקודדים לתכונות ספקטרלי מתכת. תמונה ללא הפרדות צבע של האובייקטים קבור עם אלומיניום (Al), נחושת (Cu), פלדת אל-חלד (הה) התואם אדום, ירוק, תכלת צבע רכיבים, בהתאמה <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58207/58207fig3large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>

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

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

בפמטושניות בעוצמה גבוהה פולסים של אור לייזר יכול לעבור מחזורי קר עצמית התמקדות ו פלזמה defocusing, הפצת של קרן משנה-millimeter-קוטר אינטנסיבי על פני מרחקים ארוכים. אנו מתארים שיטה להפקת ולשימוש חוטים אלה כדי לבצע הדמיה וחישה מרחוק מעבר לגבולות עקיפה הקלאסית של אופטיקה לינארית.

חוטים לייזר הפמטו-שנייה לשימוש משנה-Diffraction-מוגבלת וחישה מרחוק

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

אני שמח להציג את פרופסור סוקולוב וצוותו. הם היו הראשונים להשתמש בלייזרים בה הספק גבוה כדי לזהות אנתרקס בזמן אמת. כלומר בננו-שנייה, לא בעוד כמה שניות.לאחר מכן הם עברו לעבוד על בעיות אחרות על תסיסת האור, התמקדות באור ודרכים שבהן אנו יכולים להשתמש בטכניקות אלה כדי לעבור את גבולות הקוונטים הסטנדרטיים. אנו מתארים פרוטוקול ניסיוני לשימוש בסיסי לייזר femtosecond על מנת להשיג תת-דיפוזיה ברזולוציה מוגבלת במרחקים שיהיו בלתי עבירים באופן קלאסי. חוטי לייזר יכולים לשמור על עוצמה גבוהה וקוטר תת מילימטר על פני מרחקי התפשטות ארוכים.הדבר מאפשר חישה, סריקה, ספקטרוסקופיית הדמיה ברזולוציה משופרת. תריס הלייזר יכול להיווצר בתקשורת רבים כולל אטמוספרה ומים. ניתן להתאים את הטכניקה ללימודי אופטיקה באוקיינוס.זה לא קל ליצור את תריס הלייזר. טריק שימושי אחד הוא להתאים את ציוץ הדופק כדי להשיג את האינטנסיביות הדרושה. אז היום אנחנו הולכים לראות את הניסויים על סיבים, התמקדות של אור לסיבים זעירים, וזה משהו אשר, לשים בהקשר הנוכחי, עוזר לנו לדמיין מה אנחנו עושים עם הניסויים, מגילוי אנתרקס להסתכל על אופטיקה האוקיינוס.הגדר את המנגנון על ספסל אופטי ופעל באמצעי זהירות עבור לייזר Class 4. כדי ליצור את התסיסה, השתמש בלייזר ספיר טיטניום פעמו, מוגברת femtosecond. מעבירים את קרן הלייזר דרך קשתית החותך מעט את הקצוות החיצוניים.שיפוע חד בפרופיל העוצמה המרחבית הנגרמת על ידי גזירת הלייזר ידוע היווצרות זרע. לאחר מכן, העבירו את הקרן דרך עדשה מתכנסת עם אורך מוקד גדול מ-200 ס"מ. עזרה זרע התמקדות עצמית על ידי הטיה קלה של העדשה ביחס לכיוון ההפצה.סדר יש dump קרן מתאים לאחר המוקד הגיאומטרי של העדשה. כדי להתבונן בהספור, הפעילו את הלייזר עם כוח תפוקה מיידי המספיק להתמקדות עצמית באוויר. חפשו תסיסה ליד המוקד הגיאומטרי של העדשה באמצעות נייר לבן.כשהנייר בנתיב הקרן, חפשו הילה מפוזרת של כמה מילימטרים המקיפה ליבה מהבהבת ובהירה של כ-100 מיקרומטר. בצע תצפיות נוספות מעבר לסילים. שם, טבעות פליטה חרוטיות בהירות, צבעוניות, הן תוצאה של תהליך אפנון עצמי אופייני באוויר.נקודות אור מרובות מצביעות על כך שיש מספר תריסים. כדי לחסל את נקודות האור, להציג את ההתמהמה בקרן לפני הקשתית. עם ההטחה הנכונה, נקודות האור בתבנית הפליטה חרוט מסולקות.היכונו לערוך בדיקה של סריקה מרחוק באמצעות הלייזר. אבטחו שלב תרגום ממונע דו-צירי בנתיב הקרן כך שהוא יתורגם בניצב לקרן. ודא כי קרן הלייזר הוא אירוע במרכז הבמה.לאחר מכן, צור יעד לסריקה באמצעות המערכת. להשיג מיכל ולה מניחים שני מילימטרים של חול על החלק התחתון שלה. שים נחושת, אלומיניום, וחותי נירוסטה על גבי שכבת החול.לאחר מכן, שים עוד שכבת חול של שני מילימטרים על גבי המתכות. עם הלייזר כבוי, לשים את המיכל במרכז שלב התרגום שבו התסיסה מתרחשת. כדי לאסוף נתונים, חבר את פלט הספקטרומטר למחשב.הגדר את ההדק החיצוני ואת בקרת המחשב עבור הלייזר לירות ירייה אחת. הבא להגדיר את מנגנון החיישן. במקרה זה, למקם ספקטרומטר כך נקודות הכניסה שלה בנקודת ההשפעה של filamentation על שלב התרגום.השתמש בעדשה כדי זוג אור מנקודת הפגיעה לתוך הספקטרומטר. מניחים את העדשה מאחד עד שני אורכי מוקד מהמקום שבו מתרחשת ההיסוס. הפעל את הלייזר על ידי תוכנה והקליט את האות מהספקטרומטר.סידור זה של נחושת, אלומיניום ופלדת אל-חלד מוסתר מתחת לשני מילימטרים של חול. התכונות הספקטרליות של המתכות הקבורות כפי שנמדדו על ידי ההתקנה מאפשרות יצירת תמונה מרוכבת עם נחושת בירוק, אלומיניום באדום ופלדת אל-חלד בציאן. קרן לייזר ללא סיביות במגבלת ההתנתקות שנסרקת מעל לוגו A&M קטן ומודפס של Texas A&M אינה חושפת טקסט ניתן לזיהוי.לעומת זאת, קרן לייזר ססילה שנסרקת מעל הלוגו יוצרת תמונה עם אלמנטים מובחנים. אנרגיית פולס ועוצמה הם פרמטרים חשובים מאוד ליצירת תריס לייזר. שימוש ב-filamentation בלייזר בספקטרוסקופיה מרוחקת עשוי להגביר את יחס האות לרעש בהשהיה מרחוק.טכניקה זו סללה את הדרך להשגת הרזולוציה הספקטרלית הגבוהה בחוש מרחוק. לייזרים מדרגה 4 הנחוצים לעבודה זו הם מסוכנים. על הניסויים ללבוש ציוד מגן אישי ולעקוב אחר כל פרוטוקולי הבטיחות.

Research

JoVE Journal

Engineering

Synthesis and Operation of Fluorescent-core Microcavities for Refractometric Sensing

סינתזה והפעלה של microcavities פלורסנט ליבות לחישת Refractometric

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

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

הפרדה מרחבית של קונפורמרים מולקולריים ואשכולות

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

שימוש פנטום אנזים יחיד דינמי רב-תא ללימודים של סוכני תהודה מגנטית Hyperpolarized

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

עדשה-פחות קומפקטי מיקרוסקופ הולוגרפי הדיגיטלי פיקוח MEMS ואפיון

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

החלת רנטגן הדמיה קריסטל ספקטרוסקופיה לשימוש כמו טמפרטורה גבוהה אבחון פלזמה

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

המצאה של 1-D פוטוניים Crystal חלל על nanofiber שימוש Femtosecond אבלציה לייזר המושרה

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

ייצור של פולימרים microspheres עבור מהוד אופטי ויישומי לייזר

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

ציור, Hydrophobicity-המתבנת הרבה חוטים Polydimethylsiloxane סיליקון

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

הקצאת חישה רובוטית וגירויים לגידול הצמח המודרך

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