Уникальныйсверхбыстрый лазерчасть первая
Уникальные свойства сверхбыстроголазеры
Сверхкороткая длительность импульса сверхбыстрых лазеров придает этим системам уникальные свойства, которые отличают их от длинноимпульсных или непрерывно-волновых (CW) лазеров. Для генерации такого короткого импульса требуется широкая полоса пропускания спектра. Форма импульса и центральная длина волны определяют минимальную полосу пропускания, необходимую для генерации импульсов определенной длительности. Обычно эта связь описывается в терминах произведения времени на ширину полосы пропускания (TBP), которое выводится из принципа неопределенности. TBP гауссова импульса определяется следующей формулой: TBPGaussian=ΔτΔν≈0.441
Δτ — длительность импульса, а Δv — полоса пропускания частот. По сути, уравнение показывает, что существует обратная зависимость между полосой пропускания спектра и длительностью импульса, что означает, что по мере уменьшения длительности импульса увеличивается полоса пропускания, необходимая для генерации этого импульса. На рисунке 1 показана минимальная полоса пропускания, необходимая для поддержки нескольких различных длительностей импульса.
Рисунок 1: Минимальная спектральная полоса пропускания, необходимая для поддержкилазерные импульсы10 пс (зеленый), 500 фс (синий) и 50 фс (красный)
Технические проблемы сверхбыстрых лазеров
Широкая спектральная полоса пропускания, пиковая мощность и короткая длительность импульса сверхбыстрых лазеров должны быть правильно реализованы в вашей системе. Часто одним из самых простых решений этих проблем является широкий спектр выходного сигнала лазеров. Если в прошлом вы в основном использовали более длинные импульсные или непрерывно-волновые лазеры, ваш существующий запас оптических компонентов может не отражать или передавать полную полосу пропускания сверхбыстрых импульсов.
Порог повреждения лазера
Сверхбыстрая оптика также имеет существенно отличающиеся и более сложные для навигации пороги лазерного повреждения (LDT) по сравнению с более традиционными лазерными источниками. Когда оптика предусмотрена длянаносекундные импульсные лазеры, значения LDT обычно находятся в порядке 5-10 Дж/см2. Для сверхбыстрой оптики значения такой величины практически неслыханны, поскольку значения LDT, скорее всего, будут порядка <1 Дж/см2, обычно ближе к 0,3 Дж/см2. Значительное изменение амплитуды LDT при различной длительности импульса является результатом механизма лазерного повреждения, основанного на длительности импульса. Для наносекундных лазеров или более длинныхимпульсные лазеры, основным механизмом, вызывающим повреждение, является термический нагрев. Материалы покрытия и подложкиоптические устройстваПоглощают падающие фотоны и нагревают их. Это может привести к искажению кристаллической решетки материала. Тепловое расширение, растрескивание, плавление и деформация решетки являются общими механизмами термического повреждения этихлазерные источники.
Однако для сверхбыстрых лазеров длительность импульса сама по себе короче, чем временной масштаб передачи тепла от лазера к решетке материала, поэтому тепловой эффект не является основной причиной лазерно-индуцированного повреждения. Вместо этого пиковая мощность сверхбыстрого лазера преобразует механизм повреждения в нелинейные процессы, такие как многофотонное поглощение и ионизация. Вот почему невозможно просто сузить рейтинг LDT наносекундного импульса до рейтинга сверхбыстрого импульса, поскольку физический механизм повреждения отличается. Поэтому при тех же условиях использования (например, длина волны, длительность импульса и частота повторения) оптическое устройство с достаточно высоким рейтингом LDT будет лучшим оптическим устройством для вашего конкретного применения. Оптика, испытанная в разных условиях, не является репрезентативной для фактической производительности одной и той же оптики в системе.
Рисунок 1: Механизмы лазерного повреждения при различной длительности импульса
Время публикации: 24 июня 2024 г.