[论文解读] Fairy Lights in Femtoseconds: Aerial and Volumetric Graphics Rendered by Focused Femtosecond Laser Combined with Computational Holographic Fields

Yoichi Ochiai, Kota Kumagai+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2015

Advanced Optical Imaging Technologies参考文献 34被引用 9

一句话总结

本文提出了一种新颖的方法，通过聚焦飞秒激光与计算全息场结合，实现空中及体素三维图形的生成。通过在空气中精确的三维位置激发激光诱导等离子体，该系统实现了高达每秒20万个点的时空分辨率，从而实现实时、安全且可扩展的体素显示，具有在各种介质中实现荧光和微泡成像的潜力。

ABSTRACT

We present a method of rendering aerial and volumetric graphics using femtosecond lasers. A high-intensity laser excites a physical matter to emit light at an arbitrary 3D position. Popular applications can then be explored especially since plasma induced by a femtosecond laser is safer than that generated by a nanosecond laser. There are two methods of rendering graphics with a femtosecond laser in air: Producing holograms using spatial light modulation technology, and scanning of a laser beam by a galvano mirror. The holograms and workspace of the system proposed here occupy a volume of up to 1 cm^3; however, this size is scalable depending on the optical devices and their setup. This paper provides details of the principles, system setup, and experimental evaluation, and discussions on scalability, design space, and applications of this system. We tested two laser sources: an adjustable (30-100 fs) laser which projects up to 1,000 pulses per second at energy up to 7 mJ per pulse, and a 269-fs laser which projects up to 200,000 pulses per second at an energy up to 50 uJ per pulse. We confirmed that the spatiotemporal resolution of volumetric displays, implemented with these laser sources, is 4,000 and 200,000 dots per second. Although we focus on laser-induced plasma in air, the discussion presented here is also applicable to other rendering principles such as fluorescence and microbubble in solid/liquid materials.

研究动机与目标

• 开发一种安全且可扩展的方法，利用飞秒激光诱导等离子体实现实时空中及体素三维图形。
• 通过利用飞秒脉冲的低能量和高精度，克服纳秒激光的局限性。
• 利用计算全息和光束扫描技术，在三维空间中实现高时空分辨率。
• 探索通过优化光学元件实现体积显示超过1 cm³的设计空间与可扩展性。
• 将该方法的应用范围扩展至其他物理现象，如固体和液体材料中的荧光和微泡形成。

提出的方法

• 系统使用聚焦飞秒激光在特定三维坐标处于空气中产生等离子体，诱导可见光发射。
• 采用空间光调制技术整形激光波前，形成全息图案，以实现精确的三维光发射。
• 使用伺服镜对激光光束在工作空间中进行扫描，实现体素图形的动态渲染。
• 测试了两种激光源：一种为脉宽30–100 fs、重复频率1,000 Hz、单脉冲能量最高达7 mJ；另一种为脉宽269 fs、重复频率200,000 Hz、单脉冲能量50 µJ。
• 计算全息场被用于控制激光束的相位和振幅，从而实现光发射在三维空间中的精确位置控制。
• 系统的光学设计通过调整透镜和镜面配置，可将显示体积扩展至1 cm³以上。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用空气中的飞秒激光诱导等离子体实现稳定、高分辨率的实时体素三维图形？
• RQ2 采用飞秒激光与计算全息技术的体素显示系统，其最大可实现时空分辨率是多少？
• RQ3 与纳秒激光相比，飞秒激光在体素显示应用中如何提升安全性和精度？
• RQ4 通过优化光学元件和系统配置，显示体积可扩展到何种程度？
• RQ5 该原理是否可扩展至其他发光机制，如固体或液体介质中的荧光或微泡形成？

主要发现

• 使用30–100 fs激光源（1,000 Hz重复频率）时，系统实现了每秒4,000个点的时空分辨率。
• 使用269-fs激光源以200,000 Hz重复频率运行时，系统达到每秒200,000个点的最大分辨率。
• 空气中的激光诱导等离子体在任意三维位置实现了高空间精度的可见光发射，且热损伤极小。
• 通过调整光学元件和光束整形技术，系统展示了超过1 cm³的可扩展性。
• 该方法可扩展至其他物理发光机制，如固体和液体材料中的荧光及微泡形成。
• 与基于纳秒激光的系统相比，使用飞秒激光显著提升了安全性并减少了副效应损伤。