Уникаленсвръхбърз лазерчаст втора
Дисперсия и разпространение на импулса: Дисперсия на груповото закъснение
Едно от най-трудните технически предизвикателства, срещани при използването на свръхбързи лазери, е поддържането на продължителността на ултра-късите импулси, първоначално излъчвани отлазер. Свръхбързите импулси са много податливи на изкривяване на времето, което прави импулсите по-дълги. Този ефект се влошава с намаляване на продължителността на първоначалния импулс. Докато ултрабързите лазери могат да излъчват импулси с продължителност от 50 секунди, те могат да бъдат усилени във времето чрез използване на огледала и лещи за предаване на импулса до целевото място или дори просто да предават импулса във въздуха.
Това изкривяване на времето се определя количествено с помощта на мярка, наречена групова забавена дисперсия (GDD), известна също като дисперсия от втори ред. Всъщност има и дисперсионни членове от по-висок порядък, които могат да повлияят на разпределението на времето на ултрафарт лазерните импулси, но на практика обикновено е достатъчно просто да се изследва ефектът на GDD. GDD е стойност, зависима от честотата, която е линейно пропорционална на дебелината на даден материал. Предавателната оптика, като компоненти на леща, прозорец и обектив, обикновено имат положителни GDD стойности, което показва, че веднъж компресираните импулси могат да дадат на предавателната оптика по-голяма продължителност на импулса от тези, излъчвани отлазерни системи. Компонентите с по-ниски честоти (т.е. по-дълги дължини на вълните) се разпространяват по-бързо от компонентите с по-високи честоти (т.е. по-къси дължини на вълните). Тъй като импулсът преминава през все повече и повече материя, дължината на вълната в импулса ще продължи да се простира все повече и повече във времето. За по-кратки продължителности на импулса и следователно по-широки честотни ленти, този ефект е допълнително преувеличен и може да доведе до значително изкривяване на времето на импулса.
Свръхбързи лазерни приложения
спектроскопия
От появата на свръхбързите лазерни източници, спектроскопията е една от основните им области на приложение. Чрез намаляване на продължителността на импулса до фемтосекунди или дори до атосекунди, сега могат да бъдат постигнати динамични процеси във физиката, химията и биологията, които исторически са били невъзможни за наблюдение. Един от ключовите процеси е движението на атомите и наблюдението на движението на атомите подобри научното разбиране на фундаментални процеси като молекулярна вибрация, молекулярна дисоциация и трансфер на енергия във фотосинтетичните протеини.
биоизобразяване
Свръхбързите лазери с пикова мощност поддържат нелинейни процеси и подобряват разделителната способност за биологични изображения, като например многофотонна микроскопия. В многофотонна система, за да се генерира нелинеен сигнал от биологична среда или флуоресцентна цел, два фотона трябва да се припокриват в пространството и времето. Този нелинеен механизъм подобрява разделителната способност на изображенията чрез значително намаляване на фоновите флуоресцентни сигнали, които тормозят изследванията на еднофотонни процеси. Илюстриран е опростеният фон на сигнала. По-малката област на възбуждане на многофотонния микроскоп също предотвратява фототоксичността и минимизира увреждането на пробата.
Фигура 1: Примерна диаграма на път на лъч в експеримент с многофотонен микроскоп
Лазерна обработка на материали
Свръхбързите лазерни източници също направиха революция в лазерната микрообработка и обработка на материали поради уникалния начин, по който ултракъсите импулси взаимодействат с материалите. Както бе споменато по-рано, когато се обсъжда LDT, ултрабързата продължителност на импулса е по-бърза от времевата скала на дифузия на топлина в решетката на материала. Свръхбързите лазери произвеждат много по-малка зона на топлинно въздействие отнаносекундни импулсни лазери, което води до по-ниски загуби при срязване и по-прецизна обработка. Този принцип е приложим и за медицински приложения, където повишената прецизност на ултрафарт лазерното рязане помага за намаляване на увреждането на околната тъкан и подобрява изживяването на пациента по време на лазерна хирургия.
Атосекундни импулси: бъдещето на свръхбързите лазери
Докато изследванията продължават да усъвършенстват свръхбързите лазери, се разработват нови и подобрени източници на светлина с по-кратка продължителност на импулса. За да получат представа за по-бързите физически процеси, много изследователи се фокусират върху генерирането на атосекундни импулси – около 10-18 s в екстремния ултравиолетов (XUV) диапазон на дължина на вълната. Атосекундните импулси позволяват проследяването на движението на електроните и подобряват разбирането ни за електронната структура и квантовата механика. Въпреки че интегрирането на XUV атосекундни лазери в промишлените процеси все още не е постигнало значителен напредък, текущите изследвания и напредък в областта почти сигурно ще изтласкат тази технология от лабораториите и в производството, какъвто беше случаят с фемтосекундните и пикосекунднителазерни източници.
Време на публикуване: 25 юни 2024 г