Уникальныйсверхбыстрый лазерчасть вторая
Дисперсия и расширение импульса: дисперсия групповой задержки
Одной из наиболее сложных технических задач, возникающих при использовании сверхбыстрых лазеров, является поддержание длительности сверхкоротких импульсов, первоначально испускаемых ими.лазерСверхбыстрые импульсы очень подвержены искажениям во времени, что приводит к их удлинению. Этот эффект усиливается по мере сокращения длительности начального импульса. Хотя сверхбыстрые лазеры могут излучать импульсы длительностью до 50 секунд, их можно усилить во времени, используя зеркала и линзы для передачи импульса в целевую точку, или даже просто передавая импульс через воздух.
Это временное искажение количественно оценивается с помощью показателя, называемого групповой запаздывающей дисперсией (ГЗД), также известной как дисперсия второго порядка. На самом деле, существуют также дисперсионные члены более высокого порядка, которые могут влиять на временное распределение импульсов ультрадальнобойного лазера, но на практике обычно достаточно просто изучить влияние ГЗД. ГЗД — это зависящая от частоты величина, линейно пропорциональная толщине данного материала. Пропускающая оптика, такая как линзы, окна и объективы, обычно имеет положительные значения ГЗД, что указывает на то, что после сжатия импульсы могут обеспечить пропускающей оптике большую длительность импульса, чем импульсы, излучаемые другими источниками.лазерные системыКомпоненты с более низкими частотами (т.е., большей длиной волны) распространяются быстрее, чем компоненты с более высокими частотами (т.е., меньшей длиной волны). По мере прохождения импульса через все большее количество вещества длина волны в импульсе будет продолжать увеличиваться во времени. При меньшей длительности импульса и, следовательно, большей полосе пропускания этот эффект еще больше усиливается и может привести к значительному искажению времени импульса.
Применение сверхбыстрых лазеров
спектроскопия
С появлением сверхбыстрых лазерных источников спектроскопия стала одной из основных областей их применения. Уменьшение длительности импульса до фемтосекунд или даже аттосекунд позволило наблюдать динамические процессы в физике, химии и биологии, которые ранее были невозможны. Одним из ключевых процессов является движение атомов, и наблюдение за движением атомов улучшило научное понимание фундаментальных процессов, таких как молекулярные колебания, диссоциация молекул и перенос энергии в фотосинтетических белках.
биовизуализация
Сверхбыстрые лазеры с пиковой мощностью поддерживают нелинейные процессы и улучшают разрешение при биологической визуализации, например, в многофотонной микроскопии. В многофотонной системе для генерации нелинейного сигнала от биологической среды или флуоресцентной мишени необходимо пространственное и временное перекрытие двух фотонов. Этот нелинейный механизм улучшает разрешение изображения за счет значительного снижения фоновых флуоресцентных сигналов, которые затрудняют исследования однофотонных процессов. Упрощенный пример фонового сигнала показан на иллюстрации. Меньшая область возбуждения многофотонного микроскопа также предотвращает фототоксичность и минимизирует повреждение образца.
Рисунок 1: Примерная схема 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 сверхкоротких импульсов с материалами. Как упоминалось ранее, при обсуждении лазерно-дефектной обработки длительность сверхбыстрого импульса меньше, чем временной масштаб диффузии тепла в кристаллическую решетку материала. Сверхбыстрые лазеры создают гораздо меньшую зону термического воздействия, чемнаносекундные импульсные лазерыЭто приводит к уменьшению потерь материала при разрезе и повышению точности обработки. Этот принцип также применим в медицине, где повышенная точность лазерной резки сверхдальнего действия помогает уменьшить повреждение окружающих тканей и улучшить самочувствие пациента во время лазерной хирургии.
Аттосекундные импульсы: будущее сверхбыстрых лазеров.
По мере развития исследований в области сверхбыстрых лазеров разрабатываются новые и улучшенные источники света с более короткой длительностью импульсов. Для изучения более быстрых физических процессов многие исследователи сосредоточиваются на генерации аттосекундных импульсов — примерно 10⁻¹⁸ с в диапазоне длин волн крайнего ультрафиолета (XUV). Аттосекундные импульсы позволяют отслеживать движение электронов и улучшают наше понимание электронной структуры и квантовой механики. Хотя интеграция XUV-аттосекундных лазеров в промышленные процессы еще не достигла значительного прогресса, продолжающиеся исследования и достижения в этой области почти наверняка выведут эту технологию из лаборатории в производство, как это уже произошло с фемтосекундными и пикосекундными лазерами.лазерные источники.
Дата публикации: 25 июня 2024 г.