Уникальныйсверхбыстрый лазерчасть вторая
Дисперсия и распространение импульса: дисперсия групповой задержки
Одной из наиболее сложных технических проблем, возникающих при использовании сверхбыстрых лазеров, является поддержание длительности ультракоротких импульсов, первоначально излучаемых лазером.лазер. Сверхбыстрые импульсы очень чувствительны к временным искажениям, что делает импульсы длиннее. Этот эффект усиливается по мере сокращения длительности начального импульса. Хотя сверхбыстрые лазеры могут излучать импульсы длительностью 50 секунд, их можно усиливать во времени, используя зеркала и линзы для передачи импульса в целевое место или даже просто передавать импульс через воздух.
Это временное искажение количественно оценивается с помощью меры, называемой дисперсией групповой задержки (GDD), также известной как дисперсия второго порядка. Фактически, существуют также дисперсионные члены более высокого порядка, которые могут влиять на временное распределение импульсов ультрафарт-лазера, но на практике обычно достаточно просто изучить влияние GDD. GDD — это частотно-зависимая величина, линейно пропорциональная толщине данного материала. Передающая оптика, такая как линзы, окна и компоненты объектива, обычно имеют положительные значения GDD, что указывает на то, что после сжатия импульсы могут обеспечить передающей оптике более длительную длительность импульса, чем те, которые излучаютсялазерные системы. Компоненты с более низкими частотами (т.е. с более длинными волнами) распространяются быстрее, чем компоненты с более высокими частотами (т.е. с более короткими длинами волн). По мере того, как импульс проходит через все больше и больше материи, длина волны импульса будет продолжать расширяться во времени все дальше и дальше. Для более коротких импульсов и, следовательно, более широкой полосы пропускания этот эффект еще больше усиливается и может привести к значительным искажениям времени импульса.
Сверхбыстрые лазерные приложения
спектроскопия
С момента появления сверхбыстрых лазерных источников спектроскопия стала одной из основных областей их применения. Уменьшив длительность импульса до фемтосекунд или даже аттосекунд, теперь можно достичь динамических процессов в физике, химии и биологии, которые исторически невозможно было наблюдать. Одним из ключевых процессов является движение атомов, и наблюдение за движением атомов улучшило научное понимание фундаментальных процессов, таких как молекулярная вибрация, молекулярная диссоциация и перенос энергии в фотосинтетических белках.
биовизуализация
Сверхбыстрые лазеры пиковой мощности поддерживают нелинейные процессы и улучшают разрешение биологических изображений, таких как многофотонная микроскопия. В многофотонной системе для генерации нелинейного сигнала от биологической среды или флуоресцентной мишени два фотона должны перекрываться в пространстве и времени. Этот нелинейный механизм улучшает разрешение изображений за счет значительного уменьшения фоновых сигналов флуоресценции, которые мешают исследованиям однофотонных процессов. Проиллюстрирован упрощенный фон сигнала. Меньшая область возбуждения многофотонного микроскопа также предотвращает фототоксичность и сводит к минимуму повреждение образца.
Рисунок 1: Пример схемы траектории луча в эксперименте с многофотонным микроскопом.
Лазерная обработка материалов
Сверхбыстрые лазерные источники также произвели революцию в лазерной микрообработке и обработке материалов благодаря уникальному способу взаимодействия ультракоротких импульсов с материалами. Как упоминалось ранее, при обсуждении LDT длительность сверхбыстрого импульса превышает время диффузии тепла в решетку материала. Сверхбыстрые лазеры создают гораздо меньшую зону термического воздействия, чемнаносекундные импульсные лазеры, что приводит к меньшим потерям при резке и более точной обработке. Этот принцип также применим к медицинским применениям, где повышенная точность резки ультрафарт-лазером помогает уменьшить повреждение окружающих тканей и улучшает ощущения пациента во время лазерной хирургии.
Аттосекундные импульсы: будущее сверхбыстрых лазеров
Поскольку исследования продолжают продвигать сверхбыстрые лазеры, разрабатываются новые и улучшенные источники света с более короткой длительностью импульсов. Чтобы получить представление о более быстрых физических процессах, многие исследователи сосредотачивают внимание на генерации аттосекундных импульсов – около 10–18 с в крайнем ультрафиолетовом (XUV) диапазоне длин волн. Аттосекундные импульсы позволяют отслеживать движение электронов и улучшают наше понимание электронной структуры и квантовой механики. Хотя интеграция аттосекундных лазеров XUV в промышленные процессы еще не достигла значительного прогресса, продолжающиеся исследования и достижения в этой области почти наверняка вытеснят эту технологию из лабораторий в производство, как это произошло с фемтосекундными и пикосекундными лазерами.лазерные источники.
Время публикации: 25 июня 2024 г.