Karatteristiċi Uniċi tal-Lejżers Ultrafast
It-tul ta 'żmien tal-polz ultra-qosra tal-lejżers ultraveloċi jagħtu lil dawn is-sistemi karatteristiċi uniċi li jiddistingwuhom minn lejżers tal-impulsi twal jew tal-mewġ kontinwu (CW). Sabiex tiġġenera impulsi qosra bħal dawn, hija meħtieġa bandwidth spettrali wiesgħa. Il-forma tal-polz u t-tul tal-mewġ taċ-ċentru jiddeterminaw il-bandwidth minimu meħtieġ biex jiġi prodott polz ta 'tul speċifiku. Tipikament, din ir-relazzjoni hija deskritta mill-time bandwidth product (TBP), li huwa derivat mill-prinċipju ta 'inċertezza. It-TBP ta 'polz distribwit Gaussian huwa mogħti minn.
TBPGaussian{{0}}ΔτΔν≈0.441
Δτ huwa t-tul tal-polz u Δv huwa l-wisa' tal-frekwenza tal-frekwenza. Essenzjalment, l-ekwazzjoni turi li hemm relazzjoni inversa bejn il-bandwidth spettrali u t-tul tal-polz, li jfisser li hekk kif it-tul tal-polz jonqos, il-bandwidth meħtieġ biex jiġġenera dak il-polz jiżdied. Il-Figura 1 turi l-wisa' tal-frekwenza minima meħtieġa biex tappoġġja diversi tul ta' żmien tal-polz differenti.
Figura 1: Faxxa tal-frekwenza spettrali minima meħtieġa biex tappoġġja impulsi tal-laser 10 ps (aħdar), 500 fs (blu) u 50 fs (aħmar)
Figura 2: Rappreżentazzjoni tal-qawwa medja Pavg u l-ogħla qawwa Ppeak għal laser b'tul ta' żmien t
Sfidi tekniċi tal-lejżers ultraveloċi
Il-bandwidth spettrali wiesa ', l-ogħla qawwa għolja u t-tul ta' żmien qasir tal-polz tal-lasers ultraveloċi għandhom jiġu ġestiti kif suppost fis-sistema tiegħek. Ħafna drabi, waħda mill-eħfef minn dawn l-isfidi biex tiġi indirizzata hija l-output ta’ spettru wiesa’ tal-lejżer. Jekk fil-passat użajt primarjament lejżers tal-mewġ itwal jew kontinwu, l-inventarju eżistenti tiegħek ta 'l-ottika jista' ma jkunx kapaċi jirrifletti jew jittrasmetti l-bandwidth sħiħ ta 'impulsi ultraveloċi.
Limitu tal-Ħsara tal-Laser
L-ottiki ultraveloċi għandhom ukoll limitu tal-ħsara tal-lejżer (LDT) sinifikament differenti u aktar diffiċli biex jinnavigaw minn sorsi tal-lejżer aktar tradizzjonali (Figura 3). Meta tipprovdi l-ottika għal lejżers pulsati nanosekondi, il-valuri LDT huma tipikament tal-ordni ta' 5-10 J/cm2. Għal ottiċi ultraveloċi, valuri ta' dan il-kobor huma prattikament mhux mismugħa, peress li l-valuri LDT huma aktar probabbli li jkunu ta' l-ordni ta'<1 J/cm2, usually closer to 0.3 J/cm2.
Il-varjazzjoni sinifikanti fl-amplitudni LDT għal tul ta 'żmien differenti tal-polz hija konsegwenza tal-mekkaniżmu tal-ħsara tal-lejżer ibbażat fuq it-tul tal-polz. Għal lejżers nanosekondi jew lejżers pulsati itwal, il-mekkaniżmu primarju li jwassal għal ħsara huwa t-tisħin termali. Il-kisi u l-materjali tas-sottostrat tal-ottika jassorbu l-fotoni inċidentali u jisħnu. Dan jista 'jwassal għal distorsjoni tal-kannizzata materjali. Effetti bħal espansjoni termali, qsim, tidwib u tensjoni tal-kannizzata huma mekkaniżmi komuni ta 'ħsara termali għal dawn it-tipi ta' sorsi tal-lejżer.
Figura 3: Il-ħsara tal-lejżer fuq l-uċuħ ottiċi, kif muri hawn, tista 'tiddegrada l-prestazzjoni ta' sistema tal-lejżer, u tagħmilha inutli jew saħansitra perikoluża. Minħabba t-tul tal-polz qasir, il-mekkaniżmi tal-ħsara meta jintużaw lejżers ultraveloċi huma differenti b'mod sinifikanti minn dawk meta jintużaw lejżers b'impuls itwal.
Madankollu, bil-lejżers ultrafast, it-tul tal-polz innifsu huwa aktar mgħaġġel mill-iskala tal-ħin tat-trasferiment tas-sħana mill-laser sal-kannizzata materjali, u għalhekk l-effetti termali mhumiex il-kawża primarja ta 'ħsara kkawżata mill-lejżer (Figura 4). Minflok, l-ogħla qawwa tal-laser ultraveloċi tittrasforma l-mekkaniżmu tal-ħsara fi proċessi mhux lineari bħal assorbiment multifoton u jonizzazzjoni. Din hija r-raġuni għaliex mhux possibbli li sempliċiment titnaqqas il-klassifikazzjoni LDT ta 'polz nanosekondi għal dik ta' polz ultraveloċi, minħabba li l-mekkaniżmi fiżiċi ta 'ħsara huma differenti. Għalhekk, taħt l-istess kundizzjonijiet ta 'użu (eż., wavelength, tul ta' dewmien tal-polz, u frekwenza ta 'ripetizzjoni), ottika bi klassifikazzjoni LDT għolja biżżejjed tkun l-aħjar ottika għall-applikazzjoni partikolari tiegħek. L-ottiki ttestjati taħt kundizzjonijiet differenti mhumiex rappreżentattivi tal-prestazzjoni attwali tal-istess ottika f'sistema.
Figura 4: Mekkaniżmi ta 'ħsara kkaġunata bil-lejżer għal tul ta' żmien differenti tal-polz
Dispersjoni u Estensjoni tal-Impuls: Dispersjoni ta 'Dewmien tal-Grupp
Waħda mill-aktar sfidi tekniċi diffiċli li ltaqgħu magħhom meta jintużaw lejżers ultraveloċi hija li żżomm it-tul tal-polz ultrashort inizjalment emess mill-lejżer. Il-polz ultraveloċi huma suxxettibbli ħafna għall-aberrazzjonijiet tal-ħin, li jagħmlu l-polz itwal. Dan l-effett isir agħar hekk kif it-tul tal-polz inizjali jitqassar. Filwaqt li lejżers ultraveloċi jistgħu jarmu impulsi b'tul ta '50 sekonda, huwa possibbli li jespandu l-polz fil-ħin billi jintużaw mirja u lentijiet biex iwasslu l-polz fil-post fil-mira, jew saħansitra sempliċement biex jittrasmetti l-polz permezz tal-arja.
Din id-distorsjoni tal-ħin hija kkwantifikata bl-użu ta 'metrika msejħa dispersjoni ta' dewmien tal-grupp (GDD), magħrufa wkoll bħala dispersjoni tat-tieni ordni. Fil-fatt, hemm ukoll termini ta 'dispersjoni ta' ordni ogħla li jistgħu jaffettwaw id-distribuzzjoni temporali ta 'impulsi tal-lejżer ultraveloċi, iżda fil-prattika normalment ikun biżżejjed li jiġi eżaminat l-effett ta' GDD. GDD huwa valur dipendenti fuq il-frekwenza li jiskala b'mod lineari mal-ħxuna ta 'materjal partikolari. Ottiċi tat-trażmissjoni bħall-assemblaġġi tal-lenti, tat-tieqa u tal-lenti oġġettivi tipikament għandhom valuri GDD pożittivi, li jindikaw li ladarba jiġi kkompressat il-polz jista 'jagħti lill-ottika tat-trażmissjoni tul ta' żmien itwal mill-polz emess mis-sistema tal-lejżer. Il-komponenti ta 'frekwenza aktar baxxa (jiġifieri, wavelength itwal) jinfirxu aktar malajr minn komponenti ta' frekwenza ogħla (ie, wavelength iqsar). Hekk kif il-polz jivvjaġġa minn aktar u aktar materja, il-wavelengths fil-polz se jkomplu jestendu aktar u aktar 'il bogħod fiż-żmien. Għal tul ta 'żmien iqsar tal-polz, u għalhekk bandwidths usa', dan l-effett huwa aktar esaġerat u jista 'jwassal għal distorsjoni sinifikanti tal-ħin tal-polz.
Għal impulsi itwal b'tul ta' żmien tal-polz nanosecond jew saħansitra picosecond, GDD mhijiex kwistjoni ewlenija. Madankollu, għal impulsi femtosecond iqsar, anki t-tqegħid ta 'biċċa ħxuna ta' 10 mm ta 'N-BK7 fil-mogħdija tar-raġġ jista' jwessa 'polz ta' 50 fs iċċentrat fi 800 nm b'aktar minn 12%, li huwa bejn wieħed u ieħor ekwivalenti għat-tqegħid ta 'żewġ twieqi jew filtri fil- mogħdija tar-raġġ.
L-impatt ta 'GDD fuq applikazzjoni jiddependi fuq diversi fatturi, inkluż it-tul tal-polz tal-input (τinput), il-frekwenza taċ-ċentru (jew wavelength), u l-materjal li minnu jippropaga l-polz.
L-ekwazzjoni (2) turi biċ-ċar li għall-istess valur ta 'GDD, tul ta' impuls iqsar se jwessa 'b'mod aktar sinifikanti minn tul ta' żmien itwal ta 'polz ta' input. Din hija r-raġuni għaliex GDD mhux diskuss fil-kuntest ta 'impulsi nanosecond jew picosecond. Pereżempju, GDD ta' 20 biss,000 fs2 jista' jwessa' polz ta' 1ps b'0.2%. L-eżempji fil-paragrafi li ġejjin juru li dan huwa ekwivalenti għall-propagazzjoni ta' polz ta' 1030 nm f'aktar minn 1 m ta' silika mdewba.
L-indiċi refrattiv ta 'materjal jiddependi fuq il-frekwenza tad-dawl li jivvjaġġa minnu, u GDD għandu dipendenza simili fuq l-indiċi refrattiv. Meta tagħżel l-ottika tat-trażmissjoni u tar-rifrazzjoni għal sistemi ultraveloċi, is-silika mdewba ħafna drabi hija rakkomandata minħabba li għandha waħda mill-aktar valuri GDD baxxi fil-meded ta 'wavelength viżibbli u qrib infra-aħmar. Pereżempju, il-propagazzjoni ta' polz ta' 1030 nm permezz ta' 1 mm ta' silika mdewba se tipproduċi GDD ta' madwar 19 fs2, iżda fl-istess wavelength, 1 mm ta' SF11 jirriżulta f'GDD ta' aktar minn 125 fs2 Databases tal-indiċi ta' rifrazzjoni, bħal refractivendex .info, huma riżors utli biex jiġi ddeterminat liema materjal huwa l-aħjar ottika għall-użu fl-għażla tal-mogħdijiet tar-raġġ, u l-GDD akkumulat tiegħek huwa riżors utli.
Minħabba din ix-xejra ta 'GDD pożittiv u time warping, huwa rakkomandat ħafna li tuża ottika ultrafast speċjalizzata li tipproduċi ftit jew xejn GDD addizzjonali, u b'hekk titnaqqas l-opportunità għal tul ta' żmien tal-polz estiż.
Kif tkun taf jekk għandekx bżonn kompressjoni tal-polz?
Meta għandek bżonn tikkompressa (mill-ġdid) polz tal-laser? F'applikazzjonijiet ta 'immaġini ultraveloċi bħall-mikroskopija multifoton, immaġini mċajpra jindikaw li l-polz jista' jiġġebbed fil-ħin. Fl-ipproċessar tal-lejżer ultraveloċi, it-tiġbid tal-polz jista 'jwassal għal preċiżjoni u preċiżjoni mnaqqsa tat-tqattigħ. It-tul tal-polz stirat inaqqas il-probabbiltà ta 'interazzjonijiet multiphoton, li jnaqqas l-effiċjenza tas-sistema ultrafast. Filwaqt li mhuwiex possibbli li jiġu pprovduti regoli stretti u rapidi għal kull sitwazzjoni, il-kalkoli ta 'eżempji li ġejjin jgħinu juru xi l-aħjar prattiki biex jiġi ddeterminat jekk il-kompressjoni tal-polz hijiex meħtieġa.
Ikkunsidra setup ta 'mikroskopju multiphoton b'passaġġ tar-raġġ kif muri fil-Figura 5.
Figura 5: Eżempju skematiku tal-mogħdija tar-raġġ f'esperiment ta 'mikroskopija multifoton
Approssimazzjoni tal-ewwel ordni tal-espansjoni tal-polz tista 'tinkiseb billi jingħaddu l-kontribuzzjonijiet GDD tal-elementi kollha fis-sistema qabel ma l-lejżer jilħaq il-kampjun. Ejja nassumu li l-kontributuri ewlenin għad-dispersjoni huma l-espansjoni tar-raġġ, il-filtri dichroic u l-għan li jiffoka. Aħna se ninjoraw l-effett tal-mirja tal-iskannjar peress li huma ġeneralment magħmula minn kisjiet tal-metall GDD baxxi. Jekk il-polz ikun iċċentrat f'wavelength ta '1030 nm, is-sistema tista' faċilment iżżid aktar minn 600 fs2 ta 'GDD.
Jekk il-polz fis-sistema jeħtieġx ikkompressat jew le jiddependi fuq it-tul tal-polz tad-dħul u l-ħtiġijiet speċifiċi tal-applikazzjoni. Jekk tibda b'polz 150fs, it-trażmissjoni permezz tal-ottika jkollha effett negliġibbli fuq it-tul tal-polz. Madankollu, jekk l-applikazzjoni tiegħek teħtieġ riżoluzzjoni temporali li tista 'tinkiseb biss b'polz tal-lejżer 10 fs, allura dan l-ammont ta' GDD se jikkawża l-polz inizjali tiegħek jespandi għal madwar 167 fs. F'dan il-każ, hija meħtieġa rikompressjoni. Dawn id-dettalji preċiżi huma dipendenti ħafna fuq il-mogħdija tar-raġġ partikolari u l-applikazzjoni tiegħek.
Applikazzjonijiet tal-Laser Ultrafast
Spettroskopija
L-ispettroskopija kienet waħda mill-oqsma ta 'applikazzjoni ewlenin tas-sorsi tad-dawl tal-lejżer ultraveloċi mill-introduzzjoni tagħhom. Billi tnaqqas it-tul tal-polz għal femtoseconds jew saħansitra attoseconds, proċessi dinamiċi fil-fiżika, kimika u bijoloġija li kienu storikament impossibbli li jiġu osservati issa huma possibbli. Wieħed mill-proċessi ewlenin huwa l-moviment atomiku, li l-osservazzjoni tiegħu tejbet il-fehim xjentifiku ta 'proċessi fundamentali bħal vibrazzjoni molekulari, dissoċjazzjoni molekulari u trasferiment ta' enerġija fil-proteini fotosintetiċi.
Bijoimmaġini
Lejżers ultraveloċi b'qawwa massima għolja jappoġġjaw proċessi mhux lineari u jtejbu r-riżoluzzjoni għall-bijoimmaġni, bħal mikroskopija multifoton (Fig. 12). F'sistema multiphoton, żewġ fotoni għandhom jikkoinċidu fl-ispazju u fil-ħin sabiex jiġġeneraw sinjal mhux lineari minn mezz bijoloġiku jew mira fluworexxenti. Dan il-mekkaniżmu mhux lineari jtejjeb ir-riżoluzzjoni ta 'l-immaġini billi jnaqqas b'mod sinifikanti s-sinjal tal-fluworexxenza fl-isfond li jolqot studji ta' proċessi ta 'foton wieħed. Il-Figura 13 turi dan l-isfond tas-sinjal simplifikat. Ir-reġjun iżgħar ta 'eċitazzjoni tal-mikroskopija multifoton jipprevjeni wkoll il-fototossiċità u jimminimizza l-ħsara lill-kampjun.
Figura 6: Il-mikroskopija multifoton jew mhux lineari tuża sors ta 'lejżer ultraveloċi biex taqbad immaġini tridimensjonali (3D) b'riżoluzzjoni għolja b'ibbliċjar u fototossiċità mnaqqsa meta mqabbla ma' tekniki ta 'mikroskopija konfokali konvenzjonali.
Figura 7: Rappreżentazzjoni tal-pożizzjoni tas-sinjal ta 'sistema ta' mikroskopija ta 'żewġ fotoni b'żewġ fotoni (fuq) u foton wieħed (ta' isfel). Il-koinċidenza prodotta miż-żewġ fotoni tirriżulta f'volum ta 'eċitazzjoni iżgħar, filwaqt li s-sinjal ta' foton wieħed huwa affettwat mis-sinjal fl-isfond minn barra l-pjan fokali.
Ipproċessar tal-materjal bil-lejżer
Sorsi tal-lejżer ultraveloċi rrivoluzzjonaw ukoll il-mikromagni tal-lejżer u l-ipproċessar tal-materjali minħabba l-mod uniku li bih impulsi ultrashort jinteraġixxu mal-materjali. Kif issemma qabel, meta tiddiskuti LDT, it-tul tal-polz ultraveloċi huwa aktar mgħaġġel mill-iskala tal-ħin tad-diffużjoni termali fil-kannizzata tal-materjal. Lejżers ultraveloċi jipproduċu żona affettwata mis-sħana ħafna iżgħar minn lejżers pulsati nanosekondi, li jirriżultaw f'telf ta 'kerf aktar baxx u ipproċessar aktar preċiż. Dan il-prinċipju japplika wkoll għal applikazzjonijiet mediċi, fejn iż-żieda fil-preċiżjoni tal-qtugħ bil-lejżer ultraveloċi tgħin biex timminimizza l-ħsara lit-tessut tal-madwar u ttejjeb l-esperjenza tal-pazjent waqt kirurġija bil-lejżer.
Impulsi attosecond: il-futur tal-lejżers ultraveloċi
Hekk kif tkompli r-riċerka dwar il-lejżers ultraveloċi li qed javvanzaw, qed jiġu żviluppati sorsi ta 'dawl ġodda u mtejba b'tul ta' żmien iqsar tal-polz. Biex tikseb għarfien dwar proċessi fiżiċi aktar mgħaġġla, ħafna riċerkaturi qed jiffokaw fuq il-ġenerazzjoni ta 'impulsi attosecond - fil-medda ta' wavelength ultravjola estrema (XUV), impulsi attosecond huma madwar 10-18 s. L-impulsi attosecond jippermettu l-intraċċar tal-moviment tal-elettroni u jtejbu l-fehim tagħna tal-istruttura elettronika u l-mekkanika kwantistika. Filwaqt li l-integrazzjoni tal-lasers attosecond XUV fi proċessi industrijali għadha ma kisbitx trazzjoni sinifikanti, ir-riċerka u l-avvanzi kontinwi fil-qasam kważi ċertament se jimbuttaw din it-teknoloġija 'l barra mill-laboratorju u fil-manifattura, kif kien il-każ b'sorsi tal-laser femtosecond u picosecond.
