Уникальныйсверхбыстрый лазерчасть вторая
Дисперсия и распространение импульса: дисперсия групповой задержки
Одной из самых сложных технических проблем, возникающих при использовании сверхбыстрых лазеров, является поддержание длительности сверхкоротких импульсов, первоначально испускаемых лазером.лазер. Сверхбыстрые импульсы очень восприимчивы к искажению времени, что делает импульсы длиннее. Этот эффект ухудшается 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 местоположение или даже просто передавать импульс по воздуху.
Это временное искажение количественно определяется с помощью меры, называемой групповой задержкой дисперсии (GDD), также известной как дисперсия второго порядка. Фактически, существуют также члены дисперсии более высокого порядка, которые могут влиять на временное распределение импульсов ультрафарт-лазера, но на практике обычно достаточно просто изучить эффект GDD. GDD — это частотно-зависимое значение, которое линейно пропорционально толщине данного материала. Пропускающая оптика, такая как линза, окно и объектив, обычно имеет положительные значения GDD, что указывает на то, что однажды сжатые импульсы могут дать пропускающей оптике большую длительность импульса, чем те, которые испускаютсялазерные системы. Компоненты с более низкими частотами (т. е. более длинными длинами волн) распространяются быстрее, чем компоненты с более высокими частотами (т. е. более короткими длинами волн). По мере того, как импульс проходит через все большее количество вещества, длина волны в импульсе будет продолжать расширяться все дальше и дальше во времени. Для более коротких длительностей импульса и, следовательно, более широких полос пропускания этот эффект еще больше усиливается и может привести к значительному искажению времени импульса.
Сверхбыстрые лазерные приложения
спектроскопия
С момента появления сверхбыстрых лазерных источников спектроскопия стала одной из основных областей их применения. Уменьшая 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 для биологической визуализации, такой 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 изображения, значительно уменьшая фоновые флуоресцентные сигналы, которые мешают исследованиям однофотонных процессов. Проиллюстрирован упрощенный фон сигнала. Меньшая область возбуждения многофотонного микроскопа также предотвращает фототоксичность и минимизирует повреждение образца.
Рисунок 1: Пример схемы пути луча в эксперименте с многофотонным микроскопом.
Лазерная обработка материалов
Источники сверхбыстрого лазера также произвели революцию в лазерной микрообработке и обработке материалов благодаря уникальному способу взаимодействия сверхкоротких импульсов с материалами. Как упоминалось ранее при обсуждении LDT, длительность сверхбыстрого импульса меньше, чем временной масштаб диффузии тепла в решетку материала. Сверхбыстрые лазеры создают гораздо меньшую зону теплового воздействия, чемнаносекундные импульсные лазеры, что приводит к снижению потерь при разрезе и повышению точности обработки. Этот принцип также применим к медицинским приложениям, где повышенная точность резки ультрафарт-лазером помогает уменьшить повреждение окружающих тканей и улучшает опыт пациента во время лазерной хирургии.
Аттосекундные импульсы: будущее сверхбыстрых лазеров
По мере того, как исследования продолжают совершенствовать сверхбыстрые лазеры, разрабатываются новые и улучшенные источники света с более короткими длительностями импульсов. Чтобы получить представление о более быстрых физических процессах, многие исследователи сосредотачиваются на генерации аттосекундных импульсов — около 10-18 с в диапазоне длин волн экстремального ультрафиолета (XUV). 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, текущие исследования и достижения в этой области почти наверняка выведут эту технологию из лаборатории в производство, как это было в случае с фемтосекундными и пикосекунднымилазерные источники.
Время публикации: 25 июня 2024 г.