Ultrakiirete laserite ainulaadsed omadused
Ultrakiirete laserite ülilühikesed impulsside kestused annavad nendele süsteemidele ainulaadsed omadused, mis eristavad neid pika impulsi või pidevlaine (CW) laseritest. Selliste lühikeste impulsside genereerimiseks on vaja laia spektririba laiust. Impulsi kuju ja kesklainepikkus määravad kindlaks minimaalse ribalaiuse, mis on vajalik teatud kestusega impulsi tekitamiseks. Tavaliselt kirjeldab seda seost aja ribalaiuse korrutis (TBP), mis tuletatakse määramatuse põhimõttest. Gaussi hajutatud impulsi TBP on antud.
TBPGaussi{{0}}ΔτΔν≈0,441
Δτ on impulsi kestus ja Δv on sagedusriba laius. Põhimõtteliselt näitab võrrand, et spektraalse ribalaiuse ja impulsi kestuse vahel on pöördvõrdeline seos, mis tähendab, et kui impulsi kestus väheneb, suureneb selle impulsi genereerimiseks vajalik ribalaius. Joonis 1 illustreerib minimaalset ribalaiust, mis on vajalik mitme erineva impulsi kestuse toetamiseks.
Joonis 1: minimaalne spektraalne ribalaius, mis on vajalik 10 ps (roheline), 500 fs (sinine) ja 50 fs (punane) laserimpulsside toetamiseks
Joonis 2: Keskmise võimsuse Pavg ja tippvõimsuse Ppeak kujutis laseri impulsi kestusega t
Ülikiirete laserite tehnilised väljakutsed
Ülikiirete laserite laia spektri ribalaiust, suurt tippvõimsust ja lühikest impulsi kestust tuleb teie süsteemis korralikult hallata. Sageli on üks neist probleemidest kõige lihtsam lahendada laseri laia spektriga väljund. Kui olete varem kasutanud peamiselt pikemaid impulss- või pidevlaine lasereid, ei pruugi teie olemasolev optikavaru olla võimeline peegeldama või edastama ülikiirete impulsside kogu ribalaiust.
Laseri kahjustuse lävi
Samuti on ülikiire optika oluliselt erinev ja raskemini navigeeritav laserkahjustuse lävi (LDT) kui traditsioonilisematel laserallikatel (joonis 3). Nanosekundiliste impulsslaserite optika pakkumisel on LDT väärtused tavaliselt suurusjärgus 5-10 J/cm2. Ülikiire optika puhul on selle suurusjärgu väärtused praktiliselt ennekuulmatud, kuna LDT väärtused on suurema tõenäosusega suurusjärgus<1 J/cm2, usually closer to 0.3 J/cm2.
LDT amplituudi märkimisväärne varieerumine erinevate impulsside kestuste korral on impulsi kestusel põhineva laserkahjustuse mehhanismi tagajärg. Nanosekundiliste laserite või pikemate impulsslaserite puhul on kahjustusi põhjustav esmane mehhanism termiline kuumutamine. Optika katte- ja alusmaterjalid neelavad langevad footonid ja kuumenevad. See võib põhjustada materjalivõre moonutusi. Sellised mõjud nagu soojuspaisumine, pragunemine, sulamine ja võre deformatsioon on seda tüüpi laserallikate puhul tavalised termilise kahjustuse mehhanismid.
Joonis 3. Siin näidatud optiliste pindade laserkahjustused võivad halvendada lasersüsteemi jõudlust, muutes selle kasutuks või isegi ohtlikuks. Lühikese impulsi kestuse tõttu on kahjustusmehhanismid ülikiirete laserite kasutamisel oluliselt erinevad pikema impulsslaserite kasutamisest.
Kuid ülikiirete laserite puhul on impulsi kestus ise kiirem kui laserist materjalivõrele soojusülekande ajaskaala ja seetõttu ei ole termilised mõjud laseri poolt tekitatud kahjustuste peamiseks põhjuseks (joonis 4). Selle asemel muudab ülikiire laseri tippvõimsus kahjustusmehhanismi mittelineaarseteks protsessideks, nagu multifotoni neeldumine ja ionisatsioon. Seetõttu ei ole võimalik nanosekundilise impulsi LDT-reitingut lihtsalt ülikiire impulsi omaks vähendada, kuna kahjustuste füüsilised mehhanismid on erinevad. Seetõttu on samadel kasutustingimustel (nt lainepikkus, impulsi kestus ja kordussagedus) piisavalt kõrge LDT-reitinguga optika teie konkreetse rakenduse jaoks parim optika. Erinevates tingimustes testitud optika ei esinda sama optika tegelikku jõudlust süsteemis.
Joonis 4: Laser-indutseeritud kahjustusmehhanismid erinevate impulsside kestuste korral
Dispersioon ja impulsi pikendamine: grupi viivituse dispersioon
Üks raskemaid tehnilisi väljakutseid ülikiirete laserite kasutamisel on laseri algselt kiiratava ülilühikese impulsi kestuse säilitamine. Ülikiired impulsid on väga vastuvõtlikud aja aberratsioonidele, mis muudavad impulsi pikemaks. See efekt süveneb, kui impulsi esialgne kestus lüheneb. Kuigi ülikiired laserid suudavad kiirata impulsse kestusega 50 sekundit, on võimalik impulssi õigeaegselt laiendada peeglite ja läätsede abil, et toimetada impulss sihtpunkti või edastada impulss isegi läbi õhu.
Seda ajamoonutust kvantifitseeritakse, kasutades mõõdikut, mida nimetatakse rühma viivituse dispersiooniks (GDD), mida nimetatakse ka teist järku dispersiooniks. Tegelikult on ka kõrgemat järku dispersioonitermineid, mis võivad mõjutada ülikiirete laserimpulsside ajalist jaotust, kuid praktikas piisab tavaliselt GDD mõju uurimisest. GDD on sagedusest sõltuv väärtus, mis skaleerub lineaarselt antud materjali paksusega. Edastusoptikatel, nagu läätse, akna ja objektiiviläätse komplektidel, on tavaliselt positiivsed GDD väärtused, mis näitavad, et impulsi kokkusurumine võib anda ülekandeoptikale pikema impulsi kestuse kui lasersüsteemi kiiratav impulss. Madalama sagedusega (st pikema lainepikkusega) komponendid levivad kiiremini kui kõrgema sagedusega (st lühema lainepikkusega) komponendid. Kui impulss liigub läbi üha rohkem ainet, ulatuvad impulsi lainepikkused ajas aina kaugemale ja kaugemale. Lühema impulsi kestuse ja seega ka laiema ribalaiuse korral on see efekt veelgi liialdatud ja võib põhjustada olulisi impulsiaja moonutusi.
Pikemate impulsside puhul, mille impulsi kestus on nanosekundiline või isegi pikosekundiline, ei ole GDD suur probleem. Lühemate femtosekundiliste impulsside korral võib isegi 10 mm paksuse N-BK7 tüki paigutamine kiirte teele laiendada 800 nm tsentreeritud 50 fs impulssi rohkem kui 12% võrra, mis on ligikaudu võrdne kahe akna või filtri asetamisega kiire tee.
GDD mõju rakendusele sõltub mitmest tegurist, sealhulgas sisendimpulsi kestusest (τ-sisend), kesksagedusest (või lainepikkusest) ja materjalist, mille kaudu impulss levib.
Võrrand (2) näitab selgelt, et sama GDD väärtuse korral pikeneb lühem impulsi kestus oluliselt rohkem kui pikem sisendimpulsi kestus. Seetõttu ei käsitleta GDD-d nanosekundiliste või pikosekundiliste impulsside kontekstis. Näiteks ainult 20,000 fs2 GDD võib 1ps impulssi laiendada 0,2%. Järgmistes lõikudes toodud näited näitavad, et see on samaväärne 1030 nm impulsi levitamisega rohkem kui 1 m sulatatud ränidioksiidile.
Materjali murdumisnäitaja sõltub seda läbiva valguse sagedusest ja GDD-l on sarnane sõltuvus murdumisnäitajast. Ülikiirete süsteemide ülekande- ja murdumisoptika valimisel soovitatakse sageli sulatatud ränidioksiidi, kuna sellel on üks madalamaid GDD väärtusi nähtava ja lähiinfrapuna lainepikkuse vahemikus. Näiteks 1030 nm impulsi levitamine läbi 1 mm sulatatud ränidioksiidi annab GDD umbes 19 fs2, kuid samal lainepikkusel annab 1 mm SF11 tulemuseks GDD üle 125 fs2 Murdumisnäitaja andmebaaside, nagu murdumisnäitaja. .info on kasulik ressurss, et teha kindlaks, milline materjal on parim optika kiirte valikul, ja teie kogutud GDD on kasulik ressurss.
Selle positiivse GDD ja ajakõveruse suundumuse tõttu on tungivalt soovitatav kasutada spetsiaalset ülikiiret optikat, mis toodab vähe või üldse mitte täiendavat GDD-d, vähendades seega impulsi pikendamise võimalust.
Kuidas aru saada, kas vajate pulsi kokkusurumist?
Millal on vaja laserimpulssi (uuesti) kokku suruda? Ülikiirete pilditöötlusrakenduste puhul, nagu multifotonmikroskoopia, näitavad hägused kujutised, et pulss võib aja jooksul venida. Ülikiire lasertöötluse korral võib impulssvenitamine vähendada lõikamise täpsust ja täpsust. Venitatud impulsi kestus vähendab mitmefotoni interaktsiooni tõenäosust, mis vähendab ülikiire süsteemi efektiivsust. Kuigi iga olukorra jaoks ei ole võimalik kehtestada rangeid ja kiireid reegleid, aitavad järgmised näitearvutused näidata mõningaid parimaid tavasid impulsi tihendamise vajalikkuse määramiseks.
Mõelge mitmefotoni mikroskoobi seadistusele, mille kiirte teekond on näidatud joonisel 5.
Joonis 5: Kiirtee skemaatiline näide mitmefotonmikroskoopilises katses
Impulsi laienemise esimest järku ligikaudse hinnangu saab saada kõigi süsteemi elementide GDD panuste summeerimisel enne, kui laser proovini jõuab. Oletame, et dispersiooni peamised tegurid on kiire laiendaja, dikroonsed filtrid ja teravustamisobjektiiv. Me ignoreerime skaneerimispeeglite mõju, kuna need on tavaliselt valmistatud madala GDD-ga metallkatetest. Kui impulss on tsentreeritud lainepikkusele 1030 nm, saab süsteem hõlpsasti lisada rohkem kui 600 fs2 GDD-d.
See, kas süsteemis olev impulss tuleb kokku suruda või mitte, sõltub sisendimpulsi kestusest ja rakenduse spetsiifilistest vajadustest. Kui alustate 150 fs impulsiga, on optika kaudu edastamisel impulsi kestusele tühine mõju. Kui aga teie rakendus nõuab ajalist eraldusvõimet, mida saab saavutada ainult 10 fs laserimpulsiga, põhjustab see GDD kogus teie esialgse impulsi umbes 167 fs-ni. Sel juhul on vajalik uuesti kokkupressimine. Need täpsed detailid sõltuvad suuresti teie konkreetsest kiireteest ja rakendusest.
Ülikiired laserrakendused
Spektroskoopia
Spektroskoopia on olnud ülikiirete laservalgusallikate üks peamisi kasutusvaldkondi alates nende kasutuselevõtust. Impulsside kestuse vähendamine femtosekunditeks või isegi attosekunditeks on nüüd võimalikud dünaamilised protsessid füüsikas, keemias ja bioloogias, mida oli ajalooliselt võimatu jälgida. Üks võtmeprotsesse on aatomi liikumine, mille jälgimine on parandanud teaduslikku arusaama fundamentaalsetest protsessidest, nagu molekulaarne vibratsioon, molekulaarne dissotsiatsioon ja energiaülekanne fotosünteetilistes valkudes.
Biopildistamine
Suure tippvõimsusega ülikiired laserid toetavad mittelineaarseid protsesse ja parandavad biopildistamise eraldusvõimet, näiteks mitmefotonmikroskoopiat (joonis 12). Mitmefotoni süsteemis peavad kaks footonit ruumis ja ajas kattuma, et tekitada bioloogilisest keskkonnast või fluorestseeruvast sihtmärgist mittelineaarne signaal. See mittelineaarne mehhanism parandab kujutise eraldusvõimet, vähendades märkimisväärselt tausta fluorestsentssignaali, mis häirib ühe footoni protsesside uuringuid. Joonis 13 illustreerib seda lihtsustatud signaali tausta. Multifotoonmikroskoopia väiksem ergastuspiirkond hoiab ära ka fototoksilisuse ja minimeerib proovi kahjustamist.
Joonis 6: Multifotoon- või mittelineaarne mikroskoopia kasutab ülikiiret laserallikat kõrge eraldusvõimega kolmemõõtmeliste (3D) kujutiste jäädvustamiseks, mille fotopleegitamine ja fototoksilisus on tavapäraste konfokaalse mikroskoopia meetoditega võrreldes väiksem.
Joonis 7: Kahe footoni kahe fotoni (ülemine) ja ühe fotoni (alumine) mikroskoopiasüsteemi signaali asukoha kujutamine. Kahe footoni tekitatud kattumine toob kaasa väiksema ergastusmahu, samas kui ühe footoni signaali mõjutab fookustasandist väljastpoolt tulev taustsignaal.
Materjali töötlemine laseriga
Ultrakiired laserallikad on muutnud ka laseri mikrotöötlust ja materjalide töötlemist tänu ainulaadsele viisile, kuidas ülilühikesed impulsid materjalidega suhtlevad. Nagu varem mainitud, on LDT-st arutades ülikiire impulsi kestus kiirem kui materjali võre termilise difusiooni ajaskaala. Ülikiired laserid toodavad palju väiksemat kuumusest mõjutatud tsooni kui nanosekundilised impulsslaserid, mille tulemuseks on väiksem lõikamiskadu ja täpsem töötlemine. See põhimõte kehtib ka meditsiiniliste rakenduste puhul, kus ülikiire laserlõikuse suurenenud täpsus aitab minimeerida ümbritsevate kudede kahjustusi ja parandada patsiendi kogemust laseroperatsiooni ajal.
Attosekundilised impulsid: ülikiirete laserite tulevik
Kuna uuringud ülikiirete laserite arendamiseks jätkuvad, töötatakse välja uusi ja täiustatud lühema impulsi kestusega valgusallikaid. Kiirematest füüsikalistest protsessidest ülevaate saamiseks keskenduvad paljud teadlased attosekundiliste impulsside genereerimisele – äärmusliku ultraviolettkiirguse (XUV) lainepikkuse vahemikus on attosekundilised impulsid umbes 10-18 s. Attosekundilised impulsid võimaldavad jälgida elektronide liikumist ja parandavad meie arusaamist elektroonilisest struktuurist ja kvantmehaanikast. Kuigi XUV attosekundiliste laserite integreerimine tööstusprotsessidesse ei ole veel märkimisväärset tõmbejõudu saavutanud, tõrjuvad käimasolevad uuringud ja valdkonna edusammud selle tehnoloogia peaaegu kindlasti laborist välja ja tootmisse, nagu femtosekundiliste ja pikosekundiliste laseriallikate puhul.
