Μοναδικά χαρακτηριστικά των Ultrafast Laser
Οι εξαιρετικά σύντομες διάρκειες παλμών των υπερταχέων λέιζερ προσδίδουν σε αυτά τα συστήματα μοναδικά χαρακτηριστικά που τα διακρίνουν από τα λέιζερ μεγάλου παλμού ή συνεχούς κύματος (CW). Προκειμένου να δημιουργηθούν τέτοιοι μικροί παλμοί, απαιτείται ένα ευρύ φασματικό εύρος ζώνης. Το σχήμα του παλμού και το κεντρικό μήκος κύματος καθορίζουν το ελάχιστο εύρος ζώνης που απαιτείται για την παραγωγή ενός παλμού συγκεκριμένης διάρκειας. Τυπικά, αυτή η σχέση περιγράφεται από το γινόμενο εύρους ζώνης χρόνου (TBP), το οποίο προέρχεται από την αρχή της αβεβαιότητας. Η TBP ενός Gaussian κατανεμημένου παλμού δίνεται από.
TBPGaussian{{0}}ΔτΔν≈0,441
Δτ είναι η διάρκεια του παλμού και Δv είναι το εύρος ζώνης συχνότητας. Ουσιαστικά, η εξίσωση δείχνει ότι υπάρχει μια αντίστροφη σχέση μεταξύ του φασματικού εύρους ζώνης και της διάρκειας παλμού, που σημαίνει ότι καθώς μειώνεται η διάρκεια του παλμού, το εύρος ζώνης που απαιτείται για τη δημιουργία αυτού του παλμού αυξάνεται. Το σχήμα 1 απεικονίζει το ελάχιστο εύρος ζώνης που απαιτείται για την υποστήριξη πολλών διαφορετικών διάρκειων παλμών.
Εικόνα 1: Ελάχιστο φασματικό εύρος ζώνης που απαιτείται για την υποστήριξη παλμών λέιζερ 10 ps (πράσινο), 500 fs (μπλε) και 50 fs (κόκκινο)
Εικόνα 2: Απεικόνιση μέσης ισχύος Pavg και μέγιστης ισχύος Ppeak για λέιζερ με διάρκεια παλμού t
Τεχνικές προκλήσεις των υπερταχέων λέιζερ
Το μεγάλο εύρος ζώνης, η υψηλή ισχύς αιχμής και η σύντομη διάρκεια παλμού των υπερταχέων λέιζερ πρέπει να αντιμετωπίζονται σωστά στο σύστημά σας. Συχνά, μία από τις πιο εύκολες από αυτές τις προκλήσεις για να αντιμετωπιστούν είναι η έξοδος ευρέος φάσματος του λέιζερ. Εάν έχετε χρησιμοποιήσει κατά κύριο λόγο λέιζερ μεγαλύτερης διάρκειας ή συνεχούς κύματος στο παρελθόν, το υπάρχον απόθεμα οπτικών σας ενδέχεται να μην είναι ικανό να ανακλά ή να μεταδίδει το πλήρες εύρος ζώνης των υπερταχέων παλμών.
Κατώφλι βλάβης με λέιζερ
Τα υπερταχεία οπτικά έχουν επίσης ένα σημαντικά διαφορετικό και πιο δύσκολο στην πλοήγηση κατώφλι βλάβης λέιζερ (LDT) από τις πιο παραδοσιακές πηγές λέιζερ (Εικόνα 3). Κατά την παροχή οπτικών για παλμικά λέιζερ νανοδευτερόλεπτων, οι τιμές LDT είναι συνήθως της τάξης των 5-10 J/cm2. Για υπερταχεία οπτική, τιμές αυτού του μεγέθους είναι πρακτικά ανύπαρκτες, καθώς οι τιμές LDT είναι πιο πιθανό να είναι της τάξης του<1 J/cm2, usually closer to 0.3 J/cm2.
Η σημαντική διακύμανση στο πλάτος LDT για διαφορετικές διάρκειες παλμού είναι συνέπεια του μηχανισμού βλάβης του λέιζερ με βάση τη διάρκεια του παλμού. Για λέιζερ νανοδευτερόλεπτου ή λέιζερ μεγαλύτερης διάρκειας παλμών, ο πρωταρχικός μηχανισμός που οδηγεί σε βλάβη είναι η θερμική θέρμανση. Τα υλικά επικάλυψης και υποστρώματος των οπτικών απορροφούν τα προσπίπτοντα φωτόνια και θερμαίνονται. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε παραμόρφωση του πλέγματος υλικού. Επιδράσεις όπως η θερμική διαστολή, η ρωγμή, η τήξη και η καταπόνηση του πλέγματος είναι κοινοί μηχανισμοί θερμικής βλάβης για αυτούς τους τύπους πηγών λέιζερ.
Εικόνα 3: Η βλάβη με λέιζερ σε οπτικές επιφάνειες, όπως φαίνεται εδώ, μπορεί να υποβαθμίσει την απόδοση ενός συστήματος λέιζερ, καθιστώντας το άχρηστο ή ακόμα και επικίνδυνο. Λόγω της μικρής διάρκειας παλμού, οι μηχανισμοί βλάβης κατά τη χρήση υπερταχέων λέιζερ είναι σημαντικά διαφορετικοί από εκείνους όταν χρησιμοποιούνται λέιζερ μεγαλύτερου παλμού.
Ωστόσο, με τα υπεργρήγορα λέιζερ, η ίδια η διάρκεια του παλμού είναι ταχύτερη από τη χρονική κλίμακα μεταφοράς θερμότητας από το λέιζερ στο πλέγμα υλικού, και επομένως τα θερμικά φαινόμενα δεν είναι η κύρια αιτία της βλάβης που προκαλείται από το λέιζερ (Εικόνα 4). Αντίθετα, η μέγιστη ισχύς του εξαιρετικά γρήγορου λέιζερ μετατρέπει τον μηχανισμό βλάβης σε μη γραμμικές διεργασίες όπως η απορρόφηση πολλαπλών φωτονίων και ο ιονισμός. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο δεν είναι δυνατό να μειωθεί απλώς η βαθμολογία LDT ενός παλμού νανοδευτερόλεπτου σε αυτόν ενός υπερταχύ παλμού, επειδή οι φυσικοί μηχανισμοί της βλάβης είναι διαφορετικοί. Επομένως, υπό τις ίδιες συνθήκες χρήσης (π.χ. μήκος κύματος, διάρκεια παλμού και συχνότητα επανάληψης), ένα οπτικό σύστημα με επαρκώς υψηλή βαθμολογία LDT θα είναι το καλύτερο οπτικό σύστημα για τη συγκεκριμένη εφαρμογή σας. Τα οπτικά που ελέγχονται υπό διαφορετικές συνθήκες δεν είναι αντιπροσωπευτικά της πραγματικής απόδοσης των ίδιων οπτικών σε ένα σύστημα.
Εικόνα 4: Μηχανισμοί βλάβης που προκαλούνται από λέιζερ για διαφορετικές διάρκειες παλμών
Διασπορά και Παλμός Επέκταση: Ομάδα Καθυστέρηση Διασπορά
Μία από τις πιο δύσκολες τεχνικές προκλήσεις που αντιμετωπίζουμε κατά τη χρήση υπερταχέων λέιζερ είναι η διατήρηση της διάρκειας του υπερμικρού παλμού που εκπέμπεται αρχικά από το λέιζερ. Οι υπερταχείς παλμοί είναι πολύ ευαίσθητοι σε χρονικές εκτροπές, οι οποίες κάνουν τον παλμό μεγαλύτερο. Αυτή η επίδραση γίνεται χειρότερη καθώς η αρχική διάρκεια παλμού μειώνεται. Ενώ τα εξαιρετικά γρήγορα λέιζερ μπορούν να εκπέμψουν παλμούς με διάρκεια 50 δευτερολέπτων, είναι δυνατό να επεκταθεί ο παλμός έγκαιρα χρησιμοποιώντας καθρέφτες και φακούς για να μεταδώσουν τον παλμό στη θέση στόχο ή ακόμα και απλώς να μεταδώσουν τον παλμό μέσω του αέρα.
Αυτή η χρονική παραμόρφωση ποσοτικοποιείται χρησιμοποιώντας μια μέτρηση που ονομάζεται διασπορά καθυστέρησης ομάδας (GDD), επίσης γνωστή ως διασπορά δεύτερης τάξης. Στην πραγματικότητα, υπάρχουν επίσης όροι διασποράς υψηλότερης τάξης που μπορεί να επηρεάσουν τη χρονική κατανομή των υπερταχέων παλμών λέιζερ, αλλά στην πράξη συνήθως αρκεί να εξεταστεί η επίδραση του GDD. Το GDD είναι μια τιμή που εξαρτάται από τη συχνότητα που κλιμακώνεται γραμμικά με το πάχος ενός δεδομένου υλικού. Τα οπτικά συστήματα μετάδοσης όπως τα συγκροτήματα φακών, παραθύρων και αντικειμενικών φακών έχουν συνήθως θετικές τιμές GDD, υποδεικνύοντας ότι όταν συμπιεστεί ο παλμός μπορεί να δώσει στα οπτικά συστήματα μετάδοσης μεγαλύτερη διάρκεια παλμού από τον παλμό που εκπέμπεται από το σύστημα λέιζερ. Τα εξαρτήματα χαμηλότερης συχνότητας (δηλαδή, μεγαλύτερου μήκους κύματος) διαδίδονται ταχύτερα από τα στοιχεία υψηλότερης συχνότητας (δηλαδή μικρότερου μήκους κύματος). Καθώς ο παλμός ταξιδεύει μέσα από όλο και περισσότερη ύλη, τα μήκη κύματος στον παλμό θα συνεχίσουν να εκτείνονται όλο και πιο μακριά στο χρόνο. Για μικρότερες διάρκειες παλμού, και επομένως μεγαλύτερα εύρη ζώνης, αυτό το φαινόμενο είναι περαιτέρω υπερβολικό και μπορεί να οδηγήσει σε σημαντική παραμόρφωση του χρόνου παλμού.
Για μεγαλύτερους παλμούς με διάρκεια παλμού νανοδευτερόλεπτο ή ακόμα και picosecond, το GDD δεν αποτελεί σημαντικό ζήτημα. Ωστόσο, για μικρότερους παλμούς femtosecond, ακόμη και η τοποθέτηση ενός κομματιού N-BK7 πάχους 10 mm στη διαδρομή της δέσμης μπορεί να διευρύνει έναν παλμό 50 fs με κέντρο στα 800 nm κατά περισσότερο από 12%, που είναι περίπου ισοδύναμο με την τοποθέτηση δύο παραθύρων ή φίλτρων στο διαδρομή δοκού.
Ο αντίκτυπος του GDD σε μια εφαρμογή εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, όπως η διάρκεια του παλμού εισόδου (τinput), η κεντρική συχνότητα (ή μήκος κύματος) και το υλικό μέσω του οποίου διαδίδεται ο παλμός.
Η εξίσωση (2) δείχνει ξεκάθαρα ότι για την ίδια τιμή του GDD, μια μικρότερη διάρκεια παλμού θα διευρυνθεί πιο σημαντικά από μια μεγαλύτερη διάρκεια παλμού εισόδου. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο το GDD δεν συζητείται στο πλαίσιο των παλμών νανοδευτερόλεπτου ή picosecond. Για παράδειγμα, ένα GDD μόνο 20,000 fs2 μπορεί να διευρύνει έναν παλμό 1ps κατά 0,2%. Τα παραδείγματα στις ακόλουθες παραγράφους δείχνουν ότι αυτό ισοδυναμεί με τη διάδοση ενός παλμού 1030 nm σε περισσότερο από 1 m τετηγμένου πυριτίου.
Ο δείκτης διάθλασης ενός υλικού εξαρτάται από τη συχνότητα του φωτός που ταξιδεύει μέσα από αυτό και το GDD έχει παρόμοια εξάρτηση από τον δείκτη διάθλασης. Όταν επιλέγετε οπτικά συστήματα μετάδοσης και διάθλασης για υπεργρήγορα συστήματα, το τηγμένο πυρίτιο συνιστάται συχνά επειδή έχει μία από τις χαμηλότερες τιμές GDD στο ορατό και στο εγγύς υπέρυθρο εύρος μήκους κύματος. Για παράδειγμα, η διάδοση ενός παλμού 1030 nm μέσω 1 mm συντηγμένου πυριτίου θα παράγει GDD περίπου 19 fs2, αλλά στο ίδιο μήκος κύματος, 1 mm SF11 θα έχει ως αποτέλεσμα GDD άνω των 125 fs2 Βάσεις δεδομένων δείκτη διάθλασης, όπως η διάθλαση .info, είναι ένας χρήσιμος πόρος για τον προσδιορισμό του υλικού που είναι το καλύτερο οπτικό σύστημα για χρήση στην επιλογή μονοπατιών δέσμης και το συσσωρευμένο GDD σας είναι ένας χρήσιμος πόρος.
Λόγω αυτής της τάσης θετικού GDD και χρονικής στρέβλωσης, συνιστάται ιδιαίτερα η χρήση εξειδικευμένων υπερταχέων οπτικών που παράγουν ελάχιστα έως καθόλου πρόσθετα GDD, μειώνοντας έτσι την ευκαιρία για εκτεταμένες διάρκειες παλμών.
Πώς ξέρετε εάν χρειάζεστε συμπίεση παλμού;
Πότε χρειάζεται να (ξανα)συμπιέσετε έναν παλμό λέιζερ; Σε εφαρμογές υπερταχείας απεικόνισης, όπως η πολυφωτονική μικροσκοπία, οι θολές εικόνες υποδεικνύουν ότι ο παλμός μπορεί να τεντωθεί στο χρόνο. Στην υπερταχεία επεξεργασία λέιζερ, το τέντωμα παλμού μπορεί να οδηγήσει σε μειωμένη ακρίβεια και ακρίβεια κοπής. Η διάρκεια του τεντωμένου παλμού μειώνει την πιθανότητα αλληλεπιδράσεων πολλαπλών φωτονίων, γεγονός που μειώνει την απόδοση του εξαιρετικά γρήγορου συστήματος. Αν και δεν είναι δυνατό να παρασχεθούν αυστηροί και γρήγοροι κανόνες για κάθε περίπτωση, τα ακόλουθα παραδείγματα υπολογισμών βοηθούν στην επίδειξη ορισμένων βέλτιστων πρακτικών για τον προσδιορισμό του εάν απαιτείται συμπίεση παλμού.
Εξετάστε μια διάταξη πολυφωτονικού μικροσκοπίου με διαδρομή δέσμης όπως φαίνεται στο Σχήμα 5.
Εικόνα 5: Παράδειγμα σχηματικού παραδείγματος της διαδρομής δέσμης σε ένα πείραμα μικροσκοπίας πολλαπλών φωτονίων
Μια προσέγγιση πρώτης τάξης της επέκτασης του παλμού μπορεί να ληφθεί αθροίζοντας τις συνεισφορές GDD όλων των στοιχείων του συστήματος πριν το λέιζερ φτάσει στο δείγμα. Ας υποθέσουμε ότι οι κύριοι παράγοντες που συμβάλλουν στη διασπορά είναι ο διαστολέας δέσμης, τα διχρωικά φίλτρα και ο αντικειμενικός στόχος εστίασης. Θα αγνοήσουμε την επίδραση των κατόπτρων σάρωσης αφού συνήθως κατασκευάζονται από μεταλλικές επιστρώσεις χαμηλού GDD. Εάν ο παλμός είναι κεντραρισμένος σε μήκος κύματος 1030 nm, το σύστημα μπορεί εύκολα να προσθέσει περισσότερα από 600 fs2 GDD.
Το εάν ο παλμός στο σύστημα πρέπει να συμπιεστεί ή όχι εξαρτάται από τη διάρκεια του παλμού εισόδου και τις ειδικές ανάγκες της εφαρμογής. Εάν ξεκινήσετε με παλμό 150fs, η μετάδοση μέσω των οπτικών θα έχει αμελητέα επίδραση στη διάρκεια του παλμού. Ωστόσο, εάν η εφαρμογή σας απαιτεί μια χρονική ανάλυση που μπορεί να επιτευχθεί μόνο με παλμό λέιζερ 10 fs, τότε αυτό το ποσό GDD θα προκαλέσει την επέκταση του αρχικού σας παλμού στα 167 fs περίπου. Σε αυτή την περίπτωση απαιτείται επανασυμπίεση. Αυτές οι ακριβείς λεπτομέρειες εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τη συγκεκριμένη διαδρομή δέσμης και την εφαρμογή σας.
Εφαρμογές υπερταχείας λέιζερ
Φασματοσκοπία
Η φασματοσκοπία είναι ένας από τους κύριους τομείς εφαρμογής των πηγών φωτός υπερταχείας λέιζερ από την εισαγωγή τους. Με τη μείωση της διάρκειας των παλμών σε femtoseconds ή ακόμα και attoseconds, είναι πλέον δυνατές δυναμικές διαδικασίες στη φυσική, τη χημεία και τη βιολογία που ήταν ιστορικά αδύνατο να παρατηρηθούν. Μία από τις βασικές διαδικασίες είναι η ατομική κίνηση, η παρατήρηση της οποίας έχει βελτιώσει την επιστημονική κατανόηση θεμελιωδών διεργασιών όπως η μοριακή δόνηση, η μοριακή διάσταση και η μεταφορά ενέργειας στις φωτοσυνθετικές πρωτεΐνες.
Βιοαπεικόνιση
Τα εξαιρετικά γρήγορα λέιζερ με υψηλή ισχύ αιχμής υποστηρίζουν μη γραμμικές διεργασίες και βελτιώνουν την ανάλυση για βιοαπεικόνιση, όπως η πολυφωτονική μικροσκοπία (Εικ. 12). Σε ένα σύστημα πολλαπλών φωτονίων, δύο φωτόνια πρέπει να επικαλύπτονται στο χώρο και στο χρόνο προκειμένου να παραχθεί ένα μη γραμμικό σήμα από ένα βιολογικό μέσο ή έναν στόχο φθορισμού. Αυτός ο μη γραμμικός μηχανισμός βελτιώνει την ανάλυση της απεικόνισης μειώνοντας σημαντικά το σήμα φθορισμού φόντου που μαστίζει τις μελέτες διεργασιών ενός φωτονίου. Το Σχήμα 13 απεικονίζει αυτό το απλοποιημένο υπόβαθρο σήματος. Η μικρότερη περιοχή διέγερσης της πολυφωτονικής μικροσκοπίας αποτρέπει επίσης τη φωτοτοξικότητα και ελαχιστοποιεί τη βλάβη στο δείγμα.
Εικόνα 6: Η πολυφωτονική ή μη γραμμική μικροσκοπία χρησιμοποιεί μια εξαιρετικά γρήγορη πηγή λέιζερ για τη λήψη τρισδιάστατων (3D) εικόνων υψηλής ανάλυσης με μειωμένη φωτολεύκανση και φωτοτοξικότητα σε σύγκριση με τις συμβατικές τεχνικές ομοεστιακής μικροσκοπίας.
Εικόνα 7: Απεικόνιση θέσης σήματος ενός συστήματος μικροσκοπίας δύο φωτονίων δύο φωτονίων (πάνω) και ενός φωτονίου (κάτω). Η επικάλυψη που παράγεται από τα δύο φωτόνια οδηγεί σε μικρότερο όγκο διέγερσης, ενώ το σήμα ενός φωτονίου επηρεάζεται από το σήμα φόντου έξω από το εστιακό επίπεδο.
Επεξεργασία υλικού με λέιζερ
Οι υπερταχείς πηγές λέιζερ έχουν επίσης φέρει επανάσταση στη μικρομηχανική λέιζερ και στην επεξεργασία υλικών λόγω του μοναδικού τρόπου με τον οποίο οι υπερμικροί παλμοί αλληλεπιδρούν με τα υλικά. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, όταν συζητάμε το LDT, η διάρκεια του υπερταχύ παλμού είναι ταχύτερη από τη χρονική κλίμακα της θερμικής διάχυσης στο πλέγμα υλικού. Τα υπεργρήγορα λέιζερ παράγουν μια πολύ μικρότερη ζώνη που επηρεάζεται από τη θερμότητα από τα παλμικά λέιζερ νανοδευτερόλεπτων, με αποτέλεσμα χαμηλότερη απώλεια κεφαλής και πιο ακριβή επεξεργασία. Αυτή η αρχή ισχύει επίσης για ιατρικές εφαρμογές, όπου η αυξημένη ακρίβεια της υπερταχείας κοπής με λέιζερ βοηθά στην ελαχιστοποίηση της βλάβης στον περιβάλλοντα ιστό και στη βελτίωση της εμπειρίας του ασθενούς κατά τη διάρκεια της χειρουργικής επέμβασης με λέιζερ.
Παλμοί Attosecond: το μέλλον των υπερταχέων λέιζερ
Καθώς η έρευνα για την προώθηση των υπερταχέων λέιζερ συνεχίζεται, νέες και βελτιωμένες πηγές φωτός με μικρότερη διάρκεια παλμού αναπτύσσονται. Για να αποκτήσουν πληροφορίες για ταχύτερες φυσικές διεργασίες, πολλοί ερευνητές εστιάζουν στη δημιουργία παλμών attosecond - στην περιοχή μήκους κύματος ακραίων υπεριωδών (XUV), οι παλμοί attosecond είναι περίπου 10-18 s. Οι παλμοί Attosecond επιτρέπουν την παρακολούθηση της κίνησης των ηλεκτρονίων και βελτιώνουν την κατανόησή μας για την ηλεκτρονική δομή και την κβαντική μηχανική. Ενώ η ενσωμάτωση των λέιζερ XUV attosecond σε βιομηχανικές διεργασίες δεν έχει κερδίσει ακόμη σημαντική έλξη, η συνεχιζόμενη έρευνα και οι πρόοδοι στον τομέα είναι σχεδόν βέβαιο ότι θα ωθήσουν αυτήν την τεχνολογία από το εργαστήριο και στην κατασκευή, όπως συνέβη με τις πηγές λέιζερ femtosecond και picosecond.
