Unikultrarask laserdel to
Dispersjon og pulsspredning: Gruppeforsinkelsesspredning
En av de vanskeligste tekniske utfordringene man møter ved bruk av ultraraske lasere er å opprettholde varigheten til de ultrakorte pulsene som opprinnelig sendes ut avlaser. Ultraraske pulser er svært utsatt for tidsforvrengning, noe som gjør pulsene lengre. Denne effekten blir verre ettersom varigheten av den første pulsen forkortes. Mens ultraraske lasere kan sende ut pulser med en varighet på 50 sekunder, kan de forsterkes i tid ved å bruke speil og linser for å overføre pulsen til målstedet, eller til og med bare overføre pulsen gjennom luft.
Denne tidsforvrengningen kvantifiseres ved hjelp av et mål kalt gruppeforsinket dispersjon (GDD), også kjent som andreordens dispersjon. Faktisk er det også høyere ordens spredningsbegreper som kan påvirke tidsfordelingen til ultrafart-laserpulser, men i praksis er det vanligvis tilstrekkelig bare å undersøke effekten av GDD. GDD er en frekvensavhengig verdi som er lineært proporsjonal med tykkelsen til et gitt materiale. Overføringsoptikk som linse-, vindu- og objektivkomponenter har vanligvis positive GDD-verdier, noe som indikerer at når komprimerte pulser kan gi overføringsoptikken en lengre pulsvarighet enn de som sendes ut avlasersystemer. Komponenter med lavere frekvenser (dvs. lengre bølgelengder) forplanter seg raskere enn komponenter med høyere frekvenser (dvs. kortere bølgelengder). Etter hvert som pulsen går gjennom mer og mer materie, vil bølgelengden i pulsen fortsette å strekke seg lenger og lenger i tid. For kortere pulsvarighet, og derfor bredere båndbredder, er denne effekten ytterligere overdrevet og kan resultere i betydelig pulstidsforvrengning.
Ultraraske laserapplikasjoner
spektroskopi
Siden fremkomsten av ultraraske laserkilder har spektroskopi vært et av deres viktigste bruksområder. Ved å redusere pulsvarigheten til femtosekunder eller til og med attosekunder, kan man nå oppnå dynamiske prosesser innen fysikk, kjemi og biologi som historisk sett var umulig å observere. En av nøkkelprosessene er atombevegelse, og observasjonen av atombevegelse har forbedret den vitenskapelige forståelsen av grunnleggende prosesser som molekylær vibrasjon, molekylær dissosiasjon og energioverføring i fotosyntetiske proteiner.
bioimaging
Ultraraske lasere med toppeffekt støtter ikke-lineære prosesser og forbedrer oppløsningen for biologisk avbildning, for eksempel multifotonmikroskopi. I et multi-fotonsystem, for å generere et ikke-lineært signal fra et biologisk medium eller fluorescerende mål, må to fotoner overlappe hverandre i rom og tid. Denne ikke-lineære mekanismen forbedrer bildeoppløsningen ved å redusere bakgrunnsfluorescenssignaler betydelig som plager studier av enkeltfotonprosesser. Den forenklede signalbakgrunnen er illustrert. Det mindre eksitasjonsområdet til multifotonmikroskopet forhindrer også fototoksisitet og minimerer skade på prøven.
Figur 1: Et eksempeldiagram av en strålebane i et multifotonmikroskopeksperiment
Lasermaterialebehandling
Ultraraske laserkilder har også revolusjonert lasermikromaskinering og materialbehandling på grunn av den unike måten ultrakorte pulser samhandler med materialer. Som nevnt tidligere, når vi diskuterer LDT, er den ultraraske pulsvarigheten raskere enn tidsskalaen for varmediffusjon inn i materialets gitter. Ultraraske lasere produserer en mye mindre varmepåvirket sone ennnanosekund pulserende lasere, noe som resulterer i lavere snitttap og mer presis maskinering. Dette prinsippet gjelder også for medisinske applikasjoner, hvor den økte presisjonen til ultrafart-laserskjæring bidrar til å redusere skade på omkringliggende vev og forbedrer pasientopplevelsen under laserkirurgi.
Attosekundpulser: fremtiden til ultraraske lasere
Ettersom forskningen fortsetter å fremme ultraraske lasere, utvikles nye og forbedrede lyskilder med kortere pulsvarighet. For å få innsikt i raskere fysiske prosesser, fokuserer mange forskere på generering av attosekundpulser – omtrent 10-18 s i det ekstreme ultrafiolette (XUV) bølgelengdeområdet. Attosecond-pulser tillater sporing av elektronbevegelser og forbedrer vår forståelse av elektronisk struktur og kvantemekanikk. Mens integreringen av XUV attosecond-lasere i industrielle prosesser ennå ikke har gjort betydelige fremskritt, vil pågående forskning og fremskritt på feltet nesten helt sikkert presse denne teknologien ut av laboratoriet og inn i produksjonen, slik tilfellet har vært med femtosekund og picosecondlaserkilder.
Innleggstid: 25. juni 2024