Unikālās ultraātro lāzeru īpašības
Ultraātro lāzeru īpaši īsie impulsu ilgums piešķir šīm sistēmām unikālas īpašības, kas tās atšķir no gara impulsa vai nepārtraukta viļņa (CW) lāzeriem. Lai ģenerētu tik īsus impulsus, ir nepieciešams plašs spektra joslas platums. Impulsa forma un centra viļņa garums nosaka minimālo joslas platumu, kas nepieciešams, lai radītu noteikta ilguma impulsu. Parasti šīs attiecības raksturo laika joslas platuma produkts (TBP), kas iegūts no nenoteiktības principa. Gausa sadalītā impulsa TBP ir norādīts ar.
TBPGaussian{{0}}ΔτΔν≈0,441
Δτ ir impulsa ilgums un Δv ir frekvences joslas platums. Būtībā vienādojums parāda, ka pastāv apgriezta sakarība starp spektrālo joslas platumu un impulsa ilgumu, kas nozīmē, ka, samazinoties impulsa ilgumam, palielinās joslas platums, kas nepieciešams šī impulsa ģenerēšanai. 1. attēlā parādīts minimālais joslas platums, kas nepieciešams, lai atbalstītu vairākus dažādus impulsu ilgumus.
1. attēls. Minimālais spektrālais joslas platums, kas nepieciešams, lai atbalstītu 10 ps (zaļš), 500 fs (zils) un 50 fs (sarkans) lāzera impulsus
2. attēls. Vidējās jaudas Pavg un maksimālās jaudas Ppeak attēlojums lāzeram ar impulsa ilgumu t
Ultraātro lāzeru tehniskās problēmas
Jūsu sistēmā ir pareizi jāpārvalda ultraātro lāzeru plaša spektra joslas platums, liela maksimālā jauda un īss impulsa ilgums. Bieži vien viens no visvieglāk risināmajiem izaicinājumiem ir lāzera plaša spektra izvade. Ja pagātnē galvenokārt izmantojāt ilgāku impulsu vai nepārtrauktu viļņu lāzerus, jūsu esošais optikas krājums var nespēt atspoguļot vai pārraidīt visu īpaši ātro impulsu joslas platumu.
Lāzera bojājumu slieksnis
Arī īpaši ātrajai optikai ir ievērojami atšķirīgs un grūtāk orientējams lāzera bojājumu slieksnis (LDT) nekā tradicionālākiem lāzera avotiem (3. attēls). Nodrošinot optiku nanosekundes impulsu lāzeriem, LDT vērtības parasti ir aptuveni 5-10 J/cm2. Īpaši ātrai optikai šāda lieluma vērtības praktiski nav dzirdētas, jo LDT vērtības, visticamāk, ir aptuveni<1 J/cm2, usually closer to 0.3 J/cm2.
Nozīmīgās LDT amplitūdas atšķirības dažādiem impulsu ilgumiem ir lāzera bojājuma mehānisma sekas, pamatojoties uz impulsa ilgumu. Nanosekundes lāzeriem vai ilgāku impulsu lāzeriem galvenais mehānisms, kas izraisa bojājumus, ir termiskā sildīšana. Optikas pārklājuma un substrāta materiāli absorbē krītošos fotonus un uzsilst. Tas var izraisīt materiāla režģa deformāciju. Tādi efekti kā termiskā izplešanās, plaisāšana, kušana un režģa deformācija ir izplatīti termisko bojājumu mehānismi šāda veida lāzera avotiem.
3. attēls. Lāzera bojājumi optiskajām virsmām, kā parādīts šeit, var pasliktināt lāzera sistēmas veiktspēju, padarot to nederīgu vai pat bīstamu. Īsā impulsa ilguma dēļ bojājumu mehānismi, izmantojot ultraātros lāzerus, būtiski atšķiras no tiem, kas tiek izmantoti ilgāka impulsa lāzeriem.
Tomēr ar īpaši ātriem lāzeriem pats impulsa ilgums ir ātrāks par siltuma pārneses laika skalu no lāzera uz materiāla režģi, un tāpēc termiskie efekti nav galvenais lāzera izraisīto bojājumu cēlonis (4. attēls). Tā vietā īpaši ātrā lāzera maksimālā jauda pārveido bojājumu mehānismu nelineāros procesos, piemēram, daudzfotonu absorbcijā un jonizācijā. Tāpēc nav iespējams vienkārši samazināt nanosekundes impulsa LDT vērtējumu līdz īpaši ātram impulsam, jo bojājumu fiziskie mehānismi ir atšķirīgi. Tāpēc pie tādiem pašiem lietošanas nosacījumiem (piemēram, viļņa garums, impulsa ilgums un atkārtošanās frekvence) optika ar pietiekami augstu LDT reitingu būs labākā optika jūsu konkrētajam lietojumam. Optika, kas pārbaudīta dažādos apstākļos, neatspoguļo vienas un tās pašas optikas faktisko veiktspēju sistēmā.
4. attēls. Lāzera izraisītu bojājumu mehānismi dažādiem impulsu ilgumiem
Dispersija un impulsa pagarinājums: grupas aizkaves dispersija
Viens no sarežģītākajiem tehniskajiem izaicinājumiem, ar ko saskaras, izmantojot īpaši ātrus lāzerus, ir lāzera sākotnēji izstarotā ultraīsā impulsa ilguma uzturēšana. Īpaši ātrie impulsi ir ļoti jutīgi pret laika novirzēm, kas padara impulsu garāku. Šis efekts pasliktinās, jo sākotnējais impulsa ilgums tiek saīsināts. Lai gan īpaši ātrie lāzeri var izstarot impulsus, kuru ilgums ir 50 sekundes, impulsu ir iespējams paplašināt laikā, izmantojot spoguļus un lēcas, lai impulsu nogādātu mērķa vietā vai pat vienkārši pārraidītu impulsu pa gaisu.
Šo laika izkropļojumu kvantitatīvi nosaka, izmantojot metriku, ko sauc par grupas aiztures dispersiju (GDD), kas pazīstama arī kā otrās kārtas dispersija. Faktiski ir arī augstākas pakāpes dispersijas termini, kas var ietekmēt ultraātro lāzera impulsu laika sadalījumu, taču praksē parasti pietiek ar GDD ietekmes pārbaudi. GDD ir no frekvences atkarīga vērtība, kas lineāri mainās atkarībā no konkrētā materiāla biezuma. Pārraides optikai, piemēram, objektīva, loga un objektīva lēcu komplektiem, parasti ir pozitīvas GDD vērtības, kas norāda, ka pēc impulsa saspiešanas pārraides optikai var būt ilgāks impulsa ilgums nekā lāzera sistēmas izstarotajam impulsam. Zemākas frekvences (ti, garāka viļņa garuma) komponenti izplatās ātrāk nekā augstākas frekvences (ti, īsāka viļņa garuma) komponenti. Tā kā impulss virzās cauri arvien lielākai matērijai, impulsa viļņu garumi laika gaitā turpinās paplašināties arvien tālāk un tālāk. Īsākiem impulsu ilgumiem un līdz ar to plašākiem joslas platumiem šis efekts ir vēl vairāk pārspīlēts un var izraisīt ievērojamus impulsa laika izkropļojumus.
Garākiem impulsiem ar nanosekundes vai pat pikosekundes impulsa ilgumu GDD nav liela problēma. Tomēr īsākiem femtosekundes impulsiem pat 10 mm bieza N-BK7 gabala ievietošana stara ceļā var paplašināt 50 fs impulsu, kura centrs ir 800 nm, par vairāk nekā 12%, kas ir aptuveni līdzvērtīgs divu logu vai filtru ievietošanai staru ceļš.
GDD ietekme uz lietojumprogrammu ir atkarīga no vairākiem faktoriem, tostarp ievades impulsa ilguma (τ ieeja), centrālās frekvences (vai viļņa garuma) un materiāla, caur kuru impulss izplatās.
(2) vienādojums skaidri parāda, ka tai pašai GDD vērtībai īsāks impulsa ilgums palielināsies daudz vairāk nekā garāks ievades impulsa ilgums. Tāpēc GDD netiek apspriests nanosekundes vai pikosekundes impulsu kontekstā. Piemēram, GDD tikai 20,000 fs2 var paplašināt 1ps impulsu par 0,2%. Piemēri turpmākajos punktos parāda, ka tas ir līdzvērtīgs 1030 nm impulsa izplatīšanai vairāk nekā 1 m kausēta silīcija dioksīda.
Materiāla laušanas koeficients ir atkarīgs no gaismas biežuma, kas pārvietojas caur to, un GDD ir līdzīga atkarība no laušanas koeficienta. Izvēloties pārraides un refrakcijas optiku īpaši ātrām sistēmām, bieži tiek ieteikts kausētais silīcija dioksīds, jo tam ir viena no zemākajām GDD vērtībām redzamā un tuvu infrasarkanā viļņa garuma diapazonā. Piemēram, izplatot 1030 nm impulsu caur 1 mm kausēta silīcija dioksīda, GDD tiks iegūts aptuveni 19 fs2, bet pie tāda paša viļņa garuma 1 mm SF11 radīs GDD, kas lielāks par 125 fs2 Refrakcijas indeksa datu bāzēm, piemēram, refrakcijas koeficientam. .info ir noderīgs resurss, lai noteiktu, kurš materiāls ir vislabākā optika izmantošanai staru kūļa izvēlē, un jūsu uzkrātais GDD ir noderīgs resurss.
Šīs pozitīvās GDD un laika deformācijas tendences dēļ ir ļoti ieteicams izmantot specializētu īpaši ātru optiku, kas rada maz vai nerada papildu GDD, tādējādi samazinot iespēju pagarināt impulsa ilgumu.
Kā zināt, vai nepieciešama pulsa kompresija?
Kad nepieciešams (atkārtoti) saspiest lāzera impulsu? Īpaši ātrās attēlveidošanas lietojumprogrammās, piemēram, daudzfotonu mikroskopijā, izplūduši attēli norāda, ka impulss var tikt izstiepts laikā. Ultraātrā lāzerapstrādē impulsa stiepšana var samazināt griešanas precizitāti un precizitāti. Izstiepts impulsa ilgums samazina daudzfotonu mijiedarbības iespējamību, kas samazina ultraātrās sistēmas efektivitāti. Lai gan nav iespējams nodrošināt stingrus un ātrus noteikumus katrai situācijai, tālāk sniegtie aprēķinu piemēri palīdz parādīt dažas labākās prakses, lai noteiktu, vai ir nepieciešama impulsa saspiešana.
Apsveriet daudzfotonu mikroskopa uzstādījumu ar staru kūļa ceļu, kā parādīts 5. attēlā.
5. attēls: stara ceļa shēmas piemērs daudzfotonu mikroskopijas eksperimentā
Impulsa izplešanās pirmās kārtas tuvinājumu var iegūt, summējot visu sistēmas elementu GDD ieguldījumu, pirms lāzers sasniedz paraugu. Pieņemsim, ka galvenie dispersijas veicinātāji ir stara paplašinātājs, dihromiskie filtri un fokusēšanas objektīvs. Mēs ignorēsim skenēšanas spoguļu efektu, jo tie parasti ir izgatavoti no zema GDD metāla pārklājumiem. Ja impulss ir centrēts pie viļņa garuma 1030 nm, sistēma var viegli pievienot vairāk nekā 600 fs2 GDD.
Tas, vai impulss sistēmā ir jāsaspiež, ir atkarīgs no ievades impulsa ilguma un lietojumprogrammas īpašajām vajadzībām. Ja sākat ar 150 fs impulsu, pārraidei caur optiku būs niecīga ietekme uz impulsa ilgumu. Tomēr, ja jūsu lietojumprogrammai ir nepieciešama laika izšķirtspēja, ko var sasniegt tikai ar 10 fs lāzera impulsu, šis GDD lielums liks jūsu sākotnējam impulsam paplašināties līdz aptuveni 167 fs. Šajā gadījumā ir nepieciešama atkārtota saspiešana. Šīs precīzās detaļas ir ļoti atkarīgas no jūsu konkrētā stara ceļa un pielietojuma.
Īpaši ātras lāzera lietojumprogrammas
Spektroskopija
Spektroskopija ir bijusi viena no galvenajām ultraātro lāzera gaismas avotu pielietojuma jomām kopš to ieviešanas. Samazinot impulsa ilgumu līdz femtosekundēm vai pat attosekundēm, tagad ir iespējami dinamiski procesi fizikā, ķīmijā un bioloģijā, kurus vēsturiski nebija iespējams novērot. Viens no galvenajiem procesiem ir atomu kustība, kuras novērošana ir uzlabojusi zinātnisko izpratni par tādiem fundamentāliem procesiem kā molekulārā vibrācija, molekulārā disociācija un enerģijas pārnese fotosintēzes proteīnos.
Bioattēlveidošana
Īpaši ātri lāzeri ar lielu maksimālo jaudu atbalsta nelineārus procesus un uzlabo izšķirtspēju bioattēlveidošanai, piemēram, daudzfotonu mikroskopijai (12. att.). Daudzfotonu sistēmā diviem fotoniem ir jāpārklājas telpā un laikā, lai radītu nelineāru signālu no bioloģiskās vides vai fluorescējoša mērķa. Šis nelineārais mehānisms uzlabo attēlveidošanas izšķirtspēju, ievērojami samazinot fona fluorescences signālu, kas apgrūtina viena fotona procesu pētījumus. 13. attēlā ir parādīts šis vienkāršotā signāla fons. Mazāks daudzfotonu mikroskopijas ierosmes apgabals arī novērš fototoksicitāti un samazina parauga bojājumus.
6. attēls. Daudzfotonu vai nelineārā mikroskopija izmanto īpaši ātru lāzera avotu, lai uzņemtu augstas izšķirtspējas trīsdimensiju (3D) attēlus ar samazinātu fotobalināšanu un fototoksicitāti salīdzinājumā ar parastajām konfokālās mikroskopijas metodēm.
7. attēls: divu fotonu divu fotonu (augšējā) un viena fotona (apakšējā) mikroskopijas sistēmas signāla pozīcijas attēlojums. Divu fotonu radītā pārklāšanās rada mazāku ierosmes tilpumu, savukārt viena fotona signālu ietekmē fona signāls no ārpuses fokusa plaknē.
Lāzera materiālu apstrāde
Īpaši ātrie lāzera avoti ir arī radījuši apvērsumu lāzera mikroapstrādē un materiālu apstrādē, pateicoties unikālajam ultraīso impulsu mijiedarbības veidam ar materiāliem. Kā minēts iepriekš, apspriežot LDT, īpaši ātrs impulsa ilgums ir ātrāks nekā termiskās difūzijas laika skala materiāla režģī. Īpaši ātrie lāzeri rada daudz mazāku siltuma ietekmēto zonu nekā nanosekundes impulsu lāzeri, kā rezultātā tiek samazināts roba zudums un precīzāka apstrāde. Šis princips attiecas arī uz medicīniskiem lietojumiem, kur paaugstināta ultraātrās lāzergriešanas precizitāte palīdz samazināt apkārtējo audu bojājumus un uzlabot pacienta pieredzi lāzeroperācijas laikā.
Attosekundes impulsi: ultraātro lāzeru nākotne
Turpinoties pētījumiem par ultraātro lāzeru attīstību, tiek izstrādāti jauni un uzlaboti gaismas avoti ar īsāku impulsu ilgumu. Lai gūtu ieskatu ātrākos fizikālajos procesos, daudzi pētnieki koncentrējas uz attosekundes impulsu ģenerēšanu — ekstremālā ultravioletā (XUV) viļņa garuma diapazonā attosekundes impulsi ir aptuveni 10-18 s. Attosekundes impulsi ļauj izsekot elektronu kustībai un uzlabo mūsu izpratni par elektronisko struktūru un kvantu mehāniku. Lai gan XUV attosekundes lāzeru integrācija rūpnieciskajos procesos vēl nav guvusi ievērojamu vilci, notiekošie pētījumi un sasniegumi šajā jomā gandrīz noteikti izstums šo tehnoloģiju no laboratorijas un ražošanā, kā tas ir noticis ar femtosekundes un pikosekundes lāzera avotiem.
