Unikultrasnabb laserdel två
Dispersion och pulsspridning: Gruppfördröjd spridning
En av de svåraste tekniska utmaningarna man stöter på när man använder ultrasnabba lasrar är att bibehålla varaktigheten för de ultrakorta pulserna som ursprungligen sänds ut avlaser. Ultrasnabba pulser är mycket känsliga för tidsförvrängning, vilket gör pulserna längre. Denna effekt förvärras när varaktigheten av den initiala pulsen förkortas. Medan ultrasnabba lasrar kan avge pulser med en varaktighet på 50 sekunder, kan de förstärkas i tid genom att använda speglar och linser för att överföra pulsen till målplatsen, eller till och med bara överföra pulsen genom luft.
Denna tidsdistorsion kvantifieras med hjälp av ett mått som kallas gruppfördröjd dispersion (GDD), även känd som andra ordningens dispersion. Faktum är att det också finns spridningstermer av högre ordning som kan påverka tidsfördelningen av ultrafart-laserpulser, men i praktiken räcker det vanligtvis bara att undersöka effekten av GDD. GDD är ett frekvensberoende värde som är linjärt proportionellt mot tjockleken på ett givet material. Transmissionsoptik som lins-, fönster- och objektivkomponenter har vanligtvis positiva GDD-värden, vilket indikerar att när komprimerade pulser en gång kan ge transmissionsoptiken en längre pulslängd än de som sänds ut avlasersystem. Komponenter med lägre frekvenser (dvs längre våglängder) fortplantar sig snabbare än komponenter med högre frekvenser (dvs kortare våglängder). När pulsen passerar genom mer och mer materia kommer våglängden i pulsen att fortsätta att sträcka sig längre och längre i tiden. För kortare pulslängder, och därför bredare bandbredder, är denna effekt ytterligare överdriven och kan resultera i betydande pulstidsdistorsion.
Ultrasnabba laserapplikationer
spektroskopi
Sedan tillkomsten av ultrasnabba laserkällor har spektroskopi varit ett av deras huvudsakliga användningsområden. Genom att reducera pulslängden till femtosekunder eller till och med attosekunder kan nu dynamiska processer inom fysik, kemi och biologi som var historiskt omöjliga att observera uppnås. En av nyckelprocesserna är atomrörelse, och observationen av atomrörelse har förbättrat den vetenskapliga förståelsen av grundläggande processer som molekylär vibration, molekylär dissociation och energiöverföring i fotosyntetiska proteiner.
bioavbildning
Ultrasnabba lasrar med toppeffekt stöder icke-linjära processer och förbättrar upplösningen för biologisk avbildning, såsom multifotonmikroskopi. I ett multifotonsystem, för att generera en icke-linjär signal från ett biologiskt medium eller fluorescerande mål, måste två fotoner överlappa varandra i rum och tid. Denna olinjära mekanism förbättrar bildupplösningen genom att avsevärt minska bakgrundsfluorescenssignaler som plågar studier av enfotonprocesser. Den förenklade signalbakgrunden illustreras. Den mindre excitationsregionen i multifotonmikroskopet förhindrar också fototoxicitet och minimerar skador på provet.
Figur 1: Ett exempeldiagram av en strålbana i ett multifotonmikroskopexperiment
Bearbetning av lasermaterial
Ultrasnabba laserkällor har också revolutionerat lasermikrobearbetning och materialbearbetning på grund av det unika sättet som ultrakorta pulser interagerar med material. Som nämnts tidigare, när man diskuterar LDT, är den ultrasnabba pulslängden snabbare än tidsskalan för värmediffusion in i materialets gitter. Ultrasnabba lasrar producerar en mycket mindre värmepåverkad zon ännanosekundspulsade lasrar, vilket resulterar i lägre snittförluster och mer exakt bearbetning. Denna princip är även tillämpbar på medicinska tillämpningar, där den ökade precisionen av ultrafart-laserskärning hjälper till att minska skador på omgivande vävnad och förbättrar patientupplevelsen under laserkirurgi.
Attosecond-pulser: framtiden för ultrasnabba lasrar
Allt eftersom forskningen fortsätter att utveckla ultrasnabba lasrar, utvecklas nya och förbättrade ljuskällor med kortare pulslängder. För att få insikt i snabbare fysiska processer fokuserar många forskare på genereringen av attosekundspulser – cirka 10-18 s i det extrema ultravioletta (XUV) våglängdsområdet. Attosecond-pulser tillåter spårning av elektronrörelser och förbättrar vår förståelse av elektronisk struktur och kvantmekanik. Även om integrationen av XUV attosecond-lasrar i industriella processer ännu inte har gjort några betydande framsteg, kommer pågående forskning och framsteg inom området nästan säkert att pressa denna teknik ut ur labbet och in i tillverkningen, vilket har varit fallet med femtosekund och pikosekundlaserkällor.
Posttid: 2024-jun-25