Uniekultrasnelle laserdeel twee
Dispersie en pulsspreiding: Groepsvertragingdispersie
Een van de moeilijkste technische uitdagingen bij het gebruik van ultrasnelle lasers is het behouden van de duur van de ultrakorte pulsen die aanvankelijk door de laser worden uitgezonden.laserUltrasnelle pulsen zijn zeer gevoelig voor tijdsvervorming, waardoor de pulsen langer lijken. Dit effect wordt erger naarmate de duur van de initiële puls korter wordt. Hoewel ultrasnelle lasers pulsen met een duur van 50 seconden kunnen uitzenden, kunnen deze in de tijd worden versterkt door spiegels en lenzen te gebruiken om de puls naar de doellocatie te transporteren, of zelfs door de puls gewoon door de lucht te sturen.
Deze tijdsvervorming wordt gekwantificeerd met behulp van een maat genaamd groepsvertragingsdispersie (GDD), ook wel bekend als tweede-orde dispersie. Er zijn overigens ook hogere-orde dispersietermen 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. Transmissieoptiek, zoals lenzen, vensters en objectiefcomponenten, heeft doorgaans positieve GDD-waarden, wat aangeeft dat gecomprimeerde pulsen de transmissieoptiek een langere pulsduur kunnen geven dan pulsen die door de laser zelf worden uitgezonden.lasersystemenComponenten met lagere frequenties (d.w.z. langere golflengten) planten zich sneller voort dan componenten met hogere frequenties (d.w.z. kortere golflengten). Naarmate de puls door meer en meer materie gaat, zal de golflengte van de puls zich steeds verder in de tijd uitstrekken. Bij kortere pulsduur, en dus bredere bandbreedtes, wordt dit effect nog versterkt en kan dit leiden tot aanzienlijke vervorming van de pulsduur.
Ultrasnelle lasertoepassingen
spectroscopie
Sinds de komst van ultrasnelle laserbronnen is spectroscopie een van hun belangrijkste toepassingsgebieden. Door de pulsduur te verkorten tot femtoseconden of zelfs attoseconden, kunnen dynamische processen in de natuurkunde, scheikunde en biologie die voorheen onmogelijk waar te nemen waren, nu worden bestudeerd. Een van de belangrijkste processen is atomaire beweging, en de waarneming van atomaire beweging heeft het wetenschappelijke begrip van fundamentele processen zoals moleculaire vibratie, moleculaire dissociatie en energieoverdracht in fotosynthetische eiwitten verbeterd.
biobeeldvorming
Ultrasnelle lasers met een hoog piekvermogen ondersteunen niet-lineaire processen en verbeteren de resolutie voor biologische beeldvorming, zoals meerfotonenmicroscopie. In een meerfotonensysteem moeten twee fotonen elkaar in ruimte en tijd overlappen om een niet-lineair signaal te genereren vanuit een biologisch medium of fluorescerend doelwit. Dit niet-lineaire mechanisme verbetert de beeldresolutie door de achtergrondfluorescentiesignalen, die studies van enkelfotonprocessen bemoeilijken, aanzienlijk te verminderen. De vereenvoudigde signaalachtergrond wordt geïllustreerd. Het kleinere excitatiegebied van de meerfotonenmicroscoop voorkomt bovendien fototoxiciteit en minimaliseert schade aan het monster.
Figuur 1: Een voorbeelddiagram van een bundelpad in een experiment met een meerfotonenmicroscoop.
Laser materiaalbewerking
Ultrasnelle laserbronnen hebben ook een revolutie teweeggebracht in lasermicromachining en materiaalbewerking dankzij de unieke manier waarop ultrakorte pulsen met materialen interageren. Zoals eerder vermeld, is de duur van de ultrasnelle puls korter dan de tijdschaal van warmtediffusie in het rooster van het materiaal. Ultrasnelle lasers produceren een veel kleinere warmtebeïnvloede zone dan conventionele lasers.nanoseconde gepulseerde lasersDit resulteert in minder snijverlies en een nauwkeurigere bewerking. Dit principe is ook van toepassing in de medische sector, waar de verhoogde precisie van ultrasnelle lasersnijden helpt om schade aan omliggend weefsel te verminderen en de patiëntervaring tijdens laserchirurgie te verbeteren.
Attoseconde pulsen: de toekomst van ultrasnelle lasers
Naarmate het onderzoek naar ultrasnelle lasers vordert, 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 attoseconde pulsen – ongeveer 10⁻¹⁸ s in het extreem ultraviolette (XUV) golflengtegebied. Attoseconde pulsen maken het mogelijk om de beweging van elektronen te volgen en verbeteren ons begrip van de elektronische structuur en de kwantummechanica. Hoewel de integratie van XUV-attoseconde lasers in industriële processen nog geen significante vooruitgang heeft geboekt, zullen voortdurend onderzoek en ontwikkelingen in het veld deze technologie vrijwel zeker uit het laboratorium naar de productie brengen, zoals het geval is geweest met femtoseconde en picoseconde lasers.laserbronnen.
Geplaatst op: 25 juni 2024