Unikultrahurtig laserdel to
Dispersjon og pulsspredning: Gruppeforsinkelsesdispersjon
En av de vanskeligste tekniske utfordringene man møter ved bruk av ultrahurtige lasere er å opprettholde varigheten av de ultrakorte pulsene som i utgangspunktet sendes ut avlaserUltrahurtige pulser er svært utsatt for tidsforvrengning, noe som gjør pulsene lengre. Denne effekten blir verre etter hvert som varigheten av den første pulsen forkortes. Mens ultrahurtige 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 luften.
Denne tidsforvrengningen kvantifiseres ved hjelp av et mål som kalles gruppeforsinket dispersjon (GDD), også kjent som andreordens dispersjon. Faktisk finnes det også høyereordens dispersjonsledd som kan påvirke tidsfordelingen av ultrafart-laserpulser, men i praksis er det vanligvis tilstrekkelig å bare undersøke effekten av GDD. GDD er en frekvensavhengig verdi som er lineært proporsjonal med tykkelsen på et gitt materiale. Transmisjonsoptikk som linse-, vindu- og objektivkomponenter har vanligvis positive GDD-verdier, noe som indikerer at pulser som først er komprimert, kan gi transmisjonsoptikken en lengre pulsvarighet enn de som sendes ut avlasersystemerKomponenter med lavere frekvenser (dvs. lengre bølgelengder) forplanter seg raskere enn komponenter med høyere frekvenser (dvs. kortere bølgelengder). Etter hvert som pulsen passerer gjennom mer og mer materie, vil bølgelengden i pulsen fortsette å strekke seg lenger og lenger i tid. For kortere pulsvarigheter, og dermed bredere båndbredder, forsterkes denne effekten ytterligere og kan resultere i betydelig pulstidsforvrengning.
Ultrahurtige laserapplikasjoner
spektroskopi
Siden ultrahurtige laserkilder kom, har spektroskopi vært et av deres viktigste bruksområder. Ved å redusere pulsvarigheten til femtosekunder eller til og med attosekunder, kan dynamiske prosesser innen fysikk, kjemi og biologi som historisk sett var umulige å observere, nå oppnås. En av nøkkelprosessene er atombevegelse, og observasjon av atombevegelse har forbedret den vitenskapelige forståelsen av grunnleggende prosesser som molekylær vibrasjon, molekylær dissosiasjon og energioverføring i fotosyntetiske proteiner.
bioavbildning
Ultrahurtige lasere med toppeffekt støtter ikke-lineære prosesser og forbedrer oppløsningen for biologisk avbildning, for eksempel multifotonmikroskopi. I et multifotonsystem må to fotoner overlappe hverandre i rom og tid for å generere et ikke-lineært signal fra et biologisk medium eller fluorescerende mål. Denne ikke-lineære mekanismen forbedrer avbildningsoppløsningen ved å redusere bakgrunnsfluorescenssignaler betydelig, noe 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
Ultrahurtige 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 ultrahurtige pulsvarigheten raskere enn tidsskalaen for varmediffusjon inn i materialets gitter. Ultrahurtige lasere produserer en mye mindre varmepåvirket sone ennnanosekund pulserte lasere, noe som resulterer i lavere snitttap og mer presis maskinering. Dette prinsippet gjelder også for medisinske applikasjoner, der den økte presisjonen ved ultrafartlaserskjæring bidrar til å redusere skade på omkringliggende vev og forbedrer pasientopplevelsen under laserkirurgi.
Attosekundpulser: fremtiden for ultrahurtige lasere
Etter hvert som forskningen fortsetter å utvikle ultrahurtige lasere, utvikles nye og forbedrede lyskilder med kortere pulsvarigheter. For å få innsikt i raskere fysiske prosesser fokuserer mange forskere på generering av attosekundpulser – omtrent 10–18 sekunder i det ekstreme ultrafiolette (XUV) bølgelengdeområdet. Attosekundpulser tillater sporing av elektronbevegelse og forbedrer vår forståelse av elektronisk struktur og kvantemekanikk. Selv om integreringen av XUV-attosekundlasere 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 pikosekund.laserkilder.
Publisert: 25. juni 2024