Uniekultrasnelle laserdeel twee
Dispersie en pulsspreiding: groepsvertragingsspreiding
Een van de moeilijkste technische uitdagingen bij het gebruik van ultrasnelle lasers is het handhaven van de duur van de ultrakorte pulsen die aanvankelijk door de laser worden uitgezonden.laser. Ultrasnelle pulsen zijn zeer gevoelig voor tijdvervorming, waardoor de pulsen langer worden. Dit effect wordt erger naarmate de duur van de initiële puls korter wordt. Terwijl ultrasnelle lasers pulsen kunnen uitzenden met een duur van 50 seconden, kunnen ze in de tijd worden versterkt door spiegels en lenzen te gebruiken om de puls naar de doellocatie te sturen, of zelfs gewoon door de lucht.
Deze tijdvervorming wordt gekwantificeerd met behulp van een maatstaf die groepsvertraagde dispersie (GDD) wordt genoemd, ook bekend als tweede-orde-dispersie. In feite zijn er ook dispersietermen van hogere orde die de tijdsverdeling van ultrafart-laserpulsen kunnen beïnvloeden, maar in de praktijk is het meestal voldoende om alleen het effect van de GDD te onderzoeken. GDD is een frequentieafhankelijke waarde die lineair evenredig is met de dikte van een bepaald materiaal. Transmissie-optiek zoals lens-, venster- en objectiefcomponenten hebben doorgaans positieve GDD-waarden, wat aangeeft dat eenmaal gecomprimeerde pulsen de transmissie-optiek een langere pulsduur kunnen geven dan die uitgezonden doorlasersystemen. Componenten met lagere frequenties (dwz langere golflengten) planten zich sneller voort dan componenten met hogere frequenties (dwz kortere golflengten). Naarmate de puls door steeds meer materie gaat, zal de golflengte in de puls zich steeds verder in de tijd uitbreiden. Voor kortere pulsduur, en dus bredere bandbreedtes, wordt dit effect nog verder versterkt en kan dit resulteren in aanzienlijke pulstijdvervorming.
Ultrasnelle lasertoepassingen
spectroscopie
Sinds de komst van ultrasnelle laserbronnen is spectroscopie een van de belangrijkste toepassingsgebieden. Door de pulsduur terug te brengen tot femtoseconden of zelfs attoseconden kunnen nu dynamische processen in de natuurkunde, scheikunde en biologie worden bereikt die historisch gezien onmogelijk waar te nemen waren. Een van de belangrijkste processen is atomaire beweging, en de observatie van atomaire beweging heeft het wetenschappelijke begrip van fundamentele processen zoals moleculaire trillingen, moleculaire dissociatie en energieoverdracht in fotosynthetische eiwitten verbeterd.
bio-imaging
Ultrasnelle lasers met piekvermogen ondersteunen niet-lineaire processen en verbeteren de resolutie voor biologische beeldvorming, zoals multi-fotonenmicroscopie. Om in een multi-fotonsysteem een niet-lineair signaal van een biologisch medium of fluorescerend doel te genereren, moeten twee fotonen elkaar overlappen in ruimte en tijd. Dit niet-lineaire mechanisme verbetert de beeldresolutie door de achtergrondfluorescentiesignalen die studies van processen met één foton teisteren, aanzienlijk te verminderen. De vereenvoudigde signaalachtergrond wordt geïllustreerd. Het kleinere excitatiegebied van de multifotonmicroscoop voorkomt ook fototoxiciteit en minimaliseert schade aan het monster.
Figuur 1: Een voorbeelddiagram van een bundelpad in een multi-fotonenmicroscoopexperiment
Lasermateriaalverwerking
Ultrasnelle laserbronnen hebben ook een revolutie teweeggebracht in de lasermicrobewerking en materiaalverwerking dankzij de unieke manier waarop ultrakorte pulsen interageren met materialen. Zoals eerder vermeld, is bij de bespreking van LDT de ultrasnelle pulsduur sneller dan de tijdschaal van warmtediffusie in het rooster van het materiaal. Ultrasnelle lasers produceren een veel kleinere door hitte beïnvloede zone dangepulseerde lasers van nanoseconden, wat resulteert in lagere incisieverliezen en nauwkeurigere bewerking. Dit principe is ook van toepassing op medische toepassingen, waarbij de verhoogde precisie van ultrafart-lasersnijden de schade aan omringend weefsel helpt verminderen en de patiëntervaring tijdens laserchirurgie verbetert.
Attosecondepulsen: de toekomst van ultrasnelle lasers
Terwijl het onderzoek de vooruitgang van ultrasnelle lasers voortzet, worden er nieuwe en verbeterde lichtbronnen met kortere pulsduur ontwikkeld. Om inzicht te krijgen in snellere fysische processen, richten veel onderzoekers zich op het genereren van attosecondepulsen – ongeveer 10-18 seconden in het extreem ultraviolette (XUV) golflengtebereik. Attosecondepulsen maken het volgen van elektronenbewegingen mogelijk en verbeteren ons begrip van de elektronische structuur en de kwantummechanica. Hoewel de integratie van XUV-attoseconde-lasers in industriële processen nog aanzienlijke vooruitgang moet boeken, zullen voortgaand onderzoek en vooruitgang in het veld deze technologie vrijwel zeker uit het laboratorium en naar de productie verdrijven, zoals het geval is geweest met femtoseconde en picoseconde-lasers.laser bronnen.
Posttijd: 25 juni 2024