Унікальний надшвидкий лазер, частина друга

Унікальнийнадшвидкий лазерчастина друга

Дисперсія та поширення імпульсу: дисперсія групової затримки
Однією з найскладніших технічних проблем, з якою стикаються під час використання надшвидких лазерів, є підтримка тривалості надкоротких імпульсів, які спочатку випромінюютьлазер. Надшвидкі імпульси дуже чутливі до спотворення часу, що робить імпульси довшими. Цей ефект посилюється, коли тривалість початкового імпульсу скорочується. У той час як надшвидкісні лазери можуть випромінювати імпульси тривалістю 50 секунд, їх можна посилити в часі за допомогою дзеркал і лінз для передачі імпульсу в цільове місце або навіть просто передати імпульс через повітря.

Це спотворення часу визначається кількісно за допомогою показника, який називається груповою затримкою дисперсії (GDD), також відомої як дисперсія другого порядку. Насправді існують також дисперсійні члени вищого порядку, які можуть впливати на розподіл у часі імпульсів ультрафарт-лазера, але на практиці зазвичай достатньо лише перевірити ефект GDD. GDD — це частотно-залежне значення, лінійно пропорційне товщині даного матеріалу. Пропускаюча оптика, така як лінза, вікно та компоненти об’єктива, зазвичай має додатні значення GDD, що вказує на те, що колись стиснуті імпульси можуть надати пропускаючій оптиці більшу тривалість імпульсу, ніж випромінюванілазерні системи. Компоненти з нижчими частотами (тобто більшими довжинами хвиль) поширюються швидше, ніж компоненти з вищими частотами (тобто коротшими довжинами хвиль). Оскільки імпульс проходить через все більше і більше матерії, довжина хвилі в імпульсі буде продовжувати поширюватися все далі і далі в часі. Для меншої тривалості імпульсу і, отже, для більшої смуги частот цей ефект ще більше перебільшений і може призвести до значного спотворення часу імпульсу.

Надшвидкісні лазерні програми
спектроскопія
З моменту появи надшвидких лазерних джерел спектроскопія була однією з основних областей їх застосування. Зменшивши тривалість імпульсу до фемтосекунд або навіть атосекунд, тепер можна досягти динамічних процесів у фізиці, хімії та біології, які історично було неможливо спостерігати. Одним із ключових процесів є рух атомів, і спостереження за рухом атомів покращили наукове розуміння фундаментальних процесів, таких як молекулярна вібрація, молекулярна дисоціація та передача енергії у фотосинтетичних білках.

біовізуалізація
Надшвидкісні лазери з піковою потужністю підтримують нелінійні процеси та покращують роздільну здатність для біологічних зображень, таких як багатофотонна мікроскопія. У багатофотонній системі, щоб генерувати нелінійний сигнал від біологічного середовища або флуоресцентної мішені, два фотони повинні перекриватися в просторі та часі. Цей нелінійний механізм покращує роздільну здатність зображення шляхом значного зменшення фонових сигналів флуоресценції, які заважають дослідженням однофотонних процесів. Проілюстровано спрощений сигнальний фон. Менша область збудження багатофотонного мікроскопа також запобігає фототоксичності та зводить до мінімуму пошкодження зразка.

Рисунок 1: Приклад діаграми шляху променя в експерименті з багатофотонним мікроскопом

Лазерна обробка матеріалів
Надшвидкісні лазерні джерела також зробили революцію в лазерній мікрообробці та обробці матеріалів завдяки унікальному способу взаємодії ультракоротких імпульсів з матеріалами. Як згадувалося раніше, при обговоренні LDT тривалість надшвидкого імпульсу є швидшою за часовий масштаб дифузії тепла в решітку матеріалу. Надшвидкісні лазери створюють набагато меншу зону теплового впливу, ніжнаносекундні імпульсні лазери, що призводить до менших втрат при розрізі та більш точної обробки. Цей принцип також застосовний до медичних застосувань, де підвищена точність ультрафарт-лазерного різання допомагає зменшити пошкодження навколишніх тканин і покращує враження пацієнта під час лазерної хірургії.

Атосекундні імпульси: майбутнє надшвидких лазерів
Оскільки дослідження продовжують розвивати надшвидкісні лазери, розробляються нові та вдосконалені джерела світла з меншою тривалістю імпульсу. Щоб отримати уявлення про швидші фізичні процеси, багато дослідників зосереджуються на генерації аттосекундних імпульсів – приблизно 10-18 с у крайньому ультрафіолетовому (XUV) діапазоні довжин хвиль. Атосекундні імпульси дозволяють відстежувати рух електронів і покращують наше розуміння електронної структури та квантової механіки. Хоча інтеграція аттосекундних лазерів XUV у промислові процеси ще не досягла значного прогресу, поточні дослідження та досягнення в галузі майже напевно витіснять цю технологію з лабораторії на виробництво, як це було у випадку з фемтосекундою та пікосекундою.лазерні джерела.