Unikalnyultraszybki laserczęść druga
Dyspersja i rozprzestrzenianie się impulsów: Dyspersja opóźnienia grupowego
Jednym z najtrudniejszych wyzwań technicznych, z jakimi spotyka się przy stosowaniu ultrakrótkich laserów, jest utrzymanie czasu trwania ultrakrótkich impulsów początkowo emitowanych przezlaser. Ultraszybkie impulsy są bardzo podatne na zniekształcenia czasowe, co wydłuża impulsy. Efekt ten pogarsza się wraz ze skracaniem się czasu trwania początkowego impulsu. Podczas gdy ultraszybkie lasery mogą emitować impulsy o czasie trwania 50 sekund, można je wzmacniać w czasie, używając luster i soczewek do przesyłania impulsu do miejsca docelowego, a nawet po prostu przesyłać impuls przez powietrze.
To zniekształcenie czasowe jest kwantyfikowane przy użyciu miary zwanej opóźnioną dyspersją grupową (GDD), znaną również jako dyspersja drugiego rzędu. W rzeczywistości istnieją również terminy dyspersji wyższego rzędu, które mogą wpływać na rozkład czasowy impulsów ultrafioletowego lasera, ale w praktyce zazwyczaj wystarczy zbadać wpływ GDD. GDD to wartość zależna od częstotliwości, która jest liniowo proporcjonalna do grubości danego materiału. Optyka transmisyjna, taka jak elementy soczewki, okna i obiektywu, zwykle ma dodatnie wartości GDD, co oznacza, że raz skompresowane impulsy mogą nadać optyce transmisyjnej dłuższy czas trwania impulsu niż te emitowane przezsystemy laserowe. Składniki o niższych częstotliwościach (tj. dłuższe fale) rozprzestrzeniają się szybciej niż składniki o wyższych częstotliwościach (tj. krótsze fale). W miarę jak impuls przechodzi przez coraz więcej materii, długość fali w impulsie będzie się wydłużać coraz bardziej w czasie. W przypadku krótszych czasów trwania impulsu, a zatem szerszych pasm, efekt ten jest jeszcze bardziej wyolbrzymiony i może skutkować znacznym zniekształceniem czasu trwania impulsu.
Zastosowania ultraszybkiego lasera
spektroskopia
Od czasu pojawienia się ultrakrótkich źródeł laserowych spektroskopia stała się jednym z ich głównych obszarów zastosowań. Dzięki skróceniu czasu trwania impulsu do femtosekund, a nawet attosekund, dynamiczne procesy w fizyce, chemii i biologii, które historycznie były niemożliwe do zaobserwowania, mogą być teraz osiągnięte. Jednym z kluczowych procesów jest ruch atomów, a obserwacja ruchu atomów poprawiła naukowe zrozumienie podstawowych procesów, takich jak drgania molekularne, dysocjacja molekularna i transfer energii w białkach fotosyntetycznych.
bioobrazowanie
Ultraszybkie lasery o mocy szczytowej obsługują procesy nieliniowe i poprawiają rozdzielczość w obrazowaniu biologicznym, takim jak mikroskopia wielofotonowa. W systemie wielofotonowym, aby wygenerować nieliniowy sygnał z ośrodka biologicznego lub celu fluorescencyjnego, dwa fotony muszą na siebie zachodzić w przestrzeni i czasie. Ten nieliniowy mechanizm poprawia rozdzielczość obrazowania poprzez znaczną redukcję sygnałów fluorescencji tła, które utrudniają badania procesów jednofotonowych. Zilustrowano 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
Obróbka materiałów laserem
Źródła ultraszybkiego lasera zrewolucjonizowały również mikroobróbkę laserową i obróbkę materiałów ze względu na unikalny sposób, w jaki ultrakrótkie impulsy oddziałują z materiałami. Jak wspomniano wcześniej, omawiając LDT, czas trwania ultraszybkiego impulsu jest szybszy niż skala czasu dyfuzji ciepła do sieci materiału. Ultraszybkie lasery wytwarzają znacznie mniejszą strefę wpływu ciepła niżlasery impulsowe nanosekundowe, co skutkuje mniejszymi stratami nacięć i bardziej precyzyjną obróbką. Zasada ta ma również zastosowanie w zastosowaniach medycznych, gdzie zwiększona precyzja cięcia ultra-laserem pomaga zmniejszyć uszkodzenia otaczających tkanek i poprawia komfort pacjenta podczas operacji laserowej.
Impulsy attosekundowe: przyszłość ultrakrótkich laserów
W miarę jak badania nadal rozwijają ultrakrótkie lasery, opracowywane są nowe i ulepszone źródła światła o krótszych czasach trwania impulsów. Aby uzyskać wgląd w szybsze procesy fizyczne, wielu badaczy skupia 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 elektronicznej i mechaniki kwantowej. Podczas gdy integracja laserów attosekundowych XUV z procesami przemysłowymi nie poczyniła jeszcze znaczących postępów, trwające badania i postęp w tej dziedzinie niemal na pewno wypchną tę technologię z laboratorium do produkcji, tak jak miało to miejsce w przypadku laserów femtosekundowych i pikosekundowych.źródła laserowe.
Czas publikacji: 25-06-2024