Уникальныйсверхбыстрый лазерчасть вторая
Дисперсия и распространение импульса: дисперсия групповой задержки
Одной из наиболее сложных технических проблем, возникающих при использовании сверхбыстрых лазеров, является поддержание длительности сверхкоротких импульсов, первоначально испускаемых лазером.лазерСверхбыстрые импульсы очень подвержены временным искажениям, что приводит к их удлинению. 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 целевую точку, или даже просто передавать импульс по воздуху.
Это временное искажение количественно оценивается с помощью меры, называемой групповой задержкой дисперсии (GDD), также известной как дисперсия второго порядка. Фактически, существуют и члены дисперсии более высокого порядка, которые могут влиять на временное распределение импульсов ультрафарт-лазера, но на практике обычно достаточно просто оценить влияние GDD. GDD — это частотно-зависимая величина, линейно пропорциональная толщине данного материала. Пропускающая оптика, такая как линзы, окна и объективы, обычно имеет положительные значения GDD, что указывает на то, что после сжатия импульсы могут обеспечивать пропускающую оптику большую длительность импульсов, чем те, которые излучаютсялазерные системыКомпоненты с более низкими частотами (т.е. с более длинными длинами волн) распространяются быстрее, чем компоненты с более высокими частотами (т.е. с более короткими длинами волн). По мере того, как импульс проходит через всё большее количество вещества, длина волны импульса будет увеличиваться во времени. При меньшей длительности импульса и, следовательно, при более широкой полосе пропускания этот эффект ещё больше усиливается и может привести к значительному искажению времени импульса.
Сверхбыстрые лазерные приложения
спектроскопия
С появлением сверхбыстрых лазерных источников спектроскопия стала одной из основных областей их применения. Уменьшение длительности импульса до фемтосекунд или даже аттосекунд позволяет наблюдать динамические процессы в физике, химии и биологии, которые ранее было невозможно наблюдать. Одним из ключевых процессов является движение атомов, и наблюдение за ним улучшило научное понимание таких фундаментальных процессов, как молекулярная вибрация, диссоциация молекул и перенос энергии в фотосинтетических белках.
биовизуализация
Сверхбыстрые лазеры пиковой мощности поддерживают нелинейные процессы и повышают разрешение биологической визуализации, например, многофотонной микроскопии. 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 снижая фоновые флуоресцентные сигналы, затрудняющие исследования однофотонных процессов. На рисунке показан упрощённый 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
Сверхбыстрые лазерные источники также произвели революцию в лазерной микрообработке и обработке материалов благодаря уникальному механизму взаимодействия сверхкоротких импульсов с материалами. Как упоминалось ранее при обсуждении LDT, длительность сверхбыстрого импульса меньше времени 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 в медицине, где повышенная точность резки ультратонким лазером помогает уменьшить повреждение окружающих тканей и улучшает условия для пациента во время лазерной хирургии.
Аттосекундные импульсы: будущее сверхбыстрых лазеров
По мере развития сверхбыстрых лазеров разрабатываются новые и усовершенствованные источники света с более короткими импульсами. Чтобы глубже понять более быстрые физические процессы, многие исследователи сосредотачиваются на генерации аттосекундных импульсов – длительностью около 10-18 с в экстремальном ультрафиолетовом (XUV) диапазоне длин волн. Аттосекундные импульсы позволяют отслеживать движение электронов и улучшают наше понимание электронной структуры и квантовой механики. Хотя интеграция XUV-лазеров с аттосекундным диапазоном в промышленные процессы пока не достигла значительного прогресса, продолжающиеся исследования и достижения в этой области почти наверняка выведут эту технологию из лабораторных условий в производство, как это произошло с фемтосекундными и пикосекундными лазерами.лазерные источники.
Время публикации: 25 июня 2024 г.