Eneståendeultrahurtig laserdel to
Spredning og pulsspredning: Gruppeforsinkelsesspredning
En af de sværeste tekniske udfordringer, man støder på ved brug af ultrahurtige lasere, er at opretholde varigheden af de ultrakorte impulser, der oprindeligt udsendes aflaser. Ultrahurtige pulser er meget modtagelige for tidsforvrængning, hvilket gør pulserne længere. Denne effekt bliver værre, efterhånden som varigheden af den indledende puls forkortes. Mens ultrahurtige lasere kan udsende pulser med en varighed på 50 sekunder, kan de forstærkes i tid ved at bruge spejle og linser til at sende pulsen til målstedet, eller endda bare sende pulsen gennem luften.
Denne tidsforvrængning kvantificeres ved hjælp af et mål kaldet gruppe forsinket dispersion (GDD), også kendt som andenordens dispersion. Faktisk er der også højere ordens spredningsbegreber, der kan påvirke tidsfordelingen af ultrafart-laserimpulser, men i praksis er det normalt tilstrækkeligt blot at undersøge effekten af GDD. GDD er en frekvensafhængig værdi, der er lineært proportional med tykkelsen af et givet materiale. Transmissionsoptik som linse-, vindues- og objektivkomponenter har typisk positive GDD-værdier, hvilket indikerer, at når først komprimerede impulser kan give transmissionsoptikken en længere impulsvarighed end dem, der udsendes aflasersystemer. Komponenter med lavere frekvenser (dvs. længere bølgelængder) forplanter sig hurtigere end komponenter med højere frekvenser (dvs. kortere bølgelængder). Efterhånden som pulsen passerer gennem mere og mere stof, vil bølgelængden i pulsen fortsætte med at strække sig længere og længere i tiden. For kortere pulsvarigheder og derfor bredere båndbredder er denne effekt yderligere overdrevet og kan resultere i betydelig pulstidsforvrængning.
Ultrahurtige laserapplikationer
spektroskopi
Siden fremkomsten af ultrahurtige laserkilder har spektroskopi været et af deres vigtigste anvendelsesområder. Ved at reducere pulsvarigheden til femtosekunder eller endda attosekunder kan der nu opnås dynamiske processer inden for fysik, kemi og biologi, som historisk set var umulige at observere. En af nøgleprocesserne er atombevægelse, og observationen af atombevægelse har forbedret den videnskabelige forståelse af fundamentale processer såsom molekylær vibration, molekylær dissociation og energioverførsel i fotosyntetiske proteiner.
biobilleddannelse
Peak-power ultrahurtige lasere understøtter ikke-lineære processer og forbedrer opløsning til biologisk billeddannelse, såsom multi-fotonmikroskopi. I et multi-fotonsystem skal to fotoner overlappe hinanden i rum og tid for at generere et ikke-lineært signal fra et biologisk medium eller fluorescerende mål. Denne ikke-lineære mekanisme forbedrer billedopløsningen ved betydeligt at reducere baggrundsfluorescenssignaler, der plager studier af enkeltfotonprocesser. Den forenklede signalbaggrund er illustreret. Multifotonmikroskopets mindre excitationsområde forhindrer også fototoksicitet og minimerer skade på prøven.
Figur 1: Et eksempel på diagram af en strålebane i et multi-foton mikroskop eksperiment
Bearbejdning af lasermateriale
Ultrahurtige laserkilder har også revolutioneret lasermikrobearbejdning og materialebehandling på grund af den unikke måde, hvorpå ultrakorte impulser interagerer med materialer. Som nævnt tidligere, når man diskuterer LDT, er den ultrahurtige pulsvarighed hurtigere end tidsskalaen for varmediffusion ind i materialets gitter. Ultrahurtige lasere producerer en meget mindre varmepåvirket zone endnanosekund pulserende lasere, hvilket resulterer i lavere snittab og mere præcis bearbejdning. Dette princip er også anvendeligt til medicinske applikationer, hvor den øgede præcision af ultrafart-laserskæring hjælper med at reducere skader på omgivende væv og forbedrer patientoplevelsen under laserkirurgi.
Attosekundpulser: fremtiden for ultrahurtige lasere
Efterhånden som forskningen fortsætter med at fremme ultrahurtige lasere, udvikles nye og forbedrede lyskilder med kortere pulsvarighed. For at få indsigt i hurtigere fysiske processer fokuserer mange forskere på generering af attosekundpulser - omkring 10-18 s i det ekstreme ultraviolette (XUV) bølgelængdeområde. Attosecond-impulser tillader sporing af elektronbevægelser og forbedrer vores forståelse af elektronisk struktur og kvantemekanik. Mens integrationen af XUV attosecond lasere i industrielle processer endnu ikke har gjort væsentlige fremskridt, vil igangværende forskning og fremskridt på området næsten helt sikkert skubbe denne teknologi ud af laboratoriet og ind i fremstillingen, som det har været tilfældet med femtosecond og picosecondlaserkilder.
Indlægstid: 25-jun-2024