Unikalnyultraszybki laserczęść druga
Dyspersja i rozprzestrzenianie impulsów: dyspersja opóźnienia grupowego
Jednym z najtrudniejszych wyzwań technicznych napotykanych przy stosowaniu ultraszybkich laserów jest utrzymanie czasu trwania ultrakrótkich impulsów emitowanych początkowo przezlaser. Ultraszybkie impulsy są bardzo podatne na zniekształcenia czasu, co powoduje, że impulsy są dłuższe. Efekt ten nasila się w miarę skracania się czasu trwania początkowego impulsu. Chociaż ultraszybkie lasery mogą emitować impulsy trwające 50 sekund, można je wzmacniać w czasie za pomocą luster i soczewek w celu przesłania impulsu do miejsca docelowego lub nawet po prostu przesłać impuls przez powietrze.
To zniekształcenie czasowe jest określane ilościowo za pomocą miary zwanej dyspersją opóźnioną grupowo (GDD), znaną również jako dyspersja drugiego rzędu. W rzeczywistości istnieją również warunki dyspersji wyższego rzędu, które mogą wpływać na rozkład czasu impulsów ultrafart-lasera, ale w praktyce zwykle wystarczy po prostu zbadać wpływ GDD. GDD jest wartością zależną od częstotliwości, która jest liniowo proporcjonalna do grubości danego materiału. Optyka transmisyjna, taka jak soczewka, okienko i elementy obiektywu, ma zazwyczaj dodatnie wartości GDD, co wskazuje, że po skompresowaniu impulsów może zapewnić optyce transmisyjnej dłuższy czas trwania impulsu niż te emitowane przezsystemy laserowe. Składniki o niższych częstotliwościach (tj. dłuższych falach) rozchodzą się szybciej niż składniki o wyższych częstotliwościach (tj. krótszych długościach fal). W miarę jak impuls przechodzi przez coraz większą materię, długość fali impulsu będzie się coraz bardziej wydłużać. W przypadku krótszych czasów trwania impulsu, a co za tym idzie szerszych szerokości pasma, efekt ten jest jeszcze bardziej wyolbrzymiony i może skutkować znacznym zniekształceniem czasu impulsu.
Ultraszybkie aplikacje laserowe
spektroskopia
Od czasu pojawienia się ultraszybkich źródeł laserowych spektroskopia stała się jednym z głównych obszarów ich zastosowań. Skracając czas trwania impulsu do femtosekund lub nawet attosekund, można obecnie osiągnąć dynamiczne procesy w fizyce, chemii i biologii, które w przeszłości były niemożliwe do zaobserwowania. Jednym z kluczowych procesów jest ruch atomów, a obserwacja ruchu atomów poprawiła naukowe zrozumienie podstawowych procesów, takich jak wibracje molekularne, dysocjacja molekularna i przenoszenie energii w białkach fotosyntetycznych.
bioobrazowanie
Ultraszybkie lasery o mocy szczytowej obsługują procesy nieliniowe i poprawiają rozdzielczość w obrazowaniu biologicznym, takim jak mikroskopia wielofotonowa. W układzie wielofotonowym, aby wygenerować nieliniowy sygnał z ośrodka biologicznego lub celu fluorescencyjnego, dwa fotony muszą nakładać się na siebie w przestrzeni i czasie. Ten nieliniowy mechanizm poprawia rozdzielczość obrazowania poprzez znaczne zmniejszenie sygnałów fluorescencji tła, które stanowią plagę w badaniach procesów pojedynczych fotonów. Pokazano uproszczone tło sygnału. Mniejszy obszar wzbudzenia mikroskopu wielofotonowego zapobiega również fototoksyczności i minimalizuje uszkodzenia próbki.
Rysunek 1: Przykładowy diagram ścieżki wiązki w eksperymencie z mikroskopem wielofotonowym
Laserowa obróbka materiału
Ultraszybkie źródła laserowe zrewolucjonizowały także mikroobróbkę laserową i obróbkę materiałów ze względu na unikalny sposób, w jaki ultrakrótkie impulsy oddziałują z materiałami. Jak wspomniano wcześniej, przy omawianiu LDT, czas trwania ultraszybkiego impulsu jest szybszy niż skala czasowa dyfuzji ciepła do sieci materiału. Ultraszybkie lasery wytwarzają znacznie mniejszą strefę wpływu ciepła niżlasery impulsowe nanosekundowe, co skutkuje mniejszymi stratami nacięcia i bardziej precyzyjną obróbką. Zasada ta ma również zastosowanie w zastosowaniach medycznych, gdzie zwiększona precyzja cięcia laserem ultrafart pomaga zmniejszyć uszkodzenia otaczających tkanek i poprawia komfort pacjenta podczas operacji laserowej.
Impulsy attosekundowe: przyszłość ultraszybkich laserów
W miarę ciągłego rozwoju badań nad ultraszybkimi laserami opracowywane są nowe i ulepszone źródła światła o krótszym czasie trwania impulsu. Aby uzyskać wgląd w szybsze procesy fizyczne, wielu badaczy koncentruje się na generowaniu impulsów attosekundowych – około 10–18 s w zakresie długości fal skrajnego ultrafioletu (XUV). Impulsy attosekundowe umożliwiają śledzenie ruchu elektronów i poprawiają nasze zrozumienie struktury elektronowej i mechaniki kwantowej. Chociaż integracja laserów attosekundowych XUV z procesami przemysłowymi nie poczyniła jeszcze znaczących postępów, trwające badania i postęp w tej dziedzinie prawie na pewno wypchną tę technologię z laboratorium do produkcji, tak jak miało to miejsce w przypadku femtosekund i pikosekund.źródła laserowe.
Czas publikacji: 25 czerwca 2024 r