Μοναδικό υπερταχύ λέιζερ, μέρος πρώτο

Μοναδικόςεξαιρετικά γρήγορο λέιζερμέρος πρώτο

Μοναδικές ιδιότητες υπερταχείαςλέιζερ
Η εξαιρετικά σύντομη διάρκεια παλμού των υπερταχέων λέιζερ προσδίδει σε αυτά τα συστήματα μοναδικές ιδιότητες που τα διακρίνουν από τα λέιζερ μεγάλου παλμού ή συνεχούς κύματος (CW). Για να δημιουργηθεί ένας τόσο σύντομος παλμός, απαιτείται εύρος ζώνης ευρέος φάσματος. Το σχήμα του παλμού και το κεντρικό μήκος κύματος καθορίζουν το ελάχιστο εύρος ζώνης που απαιτείται για τη δημιουργία παλμών συγκεκριμένης διάρκειας. Συνήθως, αυτή η σχέση περιγράφεται με βάση το γινόμενο χρόνου-εύρους ζώνης (TBP), το οποίο προκύπτει από την αρχή της αβεβαιότητας. Το TBP του Γκαουσιανού παλμού δίνεται από τον ακόλουθο τύπο: TBPGaussian=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 εύρους ζώνης του φάσματος και της διάρκειας του παλμού, που σημαίνει ότι καθώς η διάρκεια του παλμού μειώνεται, 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 αρκετών διαφορετικών διαρκειών παλμού.

Σχήμα 1: Ελάχιστο φασματικό εύρος ζώνης που απαιτείται για την υποστήριξηπαλμοί λέιζεραπό 10 ps (πράσινο), 500 fs (μπλε) και 50 fs (κόκκινο)

Οι τεχνικές προκλήσεις των υπερταχέων λέιζερ
Το ευρύ φασματικό εύρος ζώνης, η μέγιστη ισχύς και η σύντομη διάρκεια παλμού των υπερταχέων λέιζερ πρέπει να διαχειρίζονται σωστά στο σύστημά σας. Συχνά, μια από τις απλούστερες λύσεις σε αυτές τις προκλήσεις είναι η έξοδος ευρέος φάσματος των λέιζερ. Εάν έχετε χρησιμοποιήσει κυρίως λέιζερ μεγαλύτερου παλμού ή συνεχούς κύματος στο παρελθόν, το υπάρχον απόθεμα οπτικών εξαρτημάτων σας ενδέχεται να μην είναι σε θέση να ανακλάσει ή να μεταδώσει το πλήρες εύρος ζώνης των υπερταχέων παλμών.

Όριο ζημιάς από λέιζερ
Τα εξαιρετικά γρήγορα οπτικά συστήματα έχουν επίσης σημαντικά διαφορετικά και πιο δύσκολα στην πλοήγηση όρια ζημιάς λέιζερ (LDT) σε σύγκριση με τις πιο συμβατικές πηγές λέιζερ. Όταν παρέχονται οπτικά συστήματα γιαπαλμικά λέιζερ νανοδευτερολέπτων, οι τιμές LDT είναι συνήθως της τάξης των 5-10 J/cm2. Για τα υπερταχέα οπτικά, οι τιμές αυτού του μεγέθους είναι πρακτικά ανήκουστες, καθώς οι τιμές LDT είναι πιο πιθανό να είναι της τάξης <1 J/cm2, συνήθως πιο κοντά στα 0,3 J/cm2. Η σημαντική διακύμανση του πλάτους LDT υπό διαφορετικές διάρκειες παλμών είναι το αποτέλεσμα του μηχανισμού βλάβης του λέιζερ που βασίζεται στις διάρκειες παλμών. Για λέιζερ νανοδευτερολέπτων ή μεγαλύτεραπαλμικά λέιζερ, ο κύριος μηχανισμός που προκαλεί ζημιά είναι η θερμική θέρμανση. Τα υλικά επίστρωσης και υποστρώματος τουοπτικές συσκευέςαπορροφούν τα προσπίπτοντα φωτόνια και τα θερμαίνουν. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε παραμόρφωση του κρυσταλλικού πλέγματος του υλικού. Η θερμική διαστολή, η ρωγμάτωση, η τήξη και η παραμόρφωση του πλέγματος είναι οι συνηθισμένοι μηχανισμοί θερμικής βλάβης αυτών τωνπηγές λέιζερ.

Ωστόσο, για τα υπερταχέα λέιζερ, η ίδια η διάρκεια του παλμού είναι ταχύτερη από την χρονική κλίμακα μεταφοράς θερμότητας από το λέιζερ στο πλέγμα του υλικού, επομένως η θερμική επίδραση δεν είναι η κύρια αιτία της ζημιάς που προκαλείται από το λέιζερ. Αντίθετα, η μέγιστη ισχύς του υπερταχέος λέιζερ μετατρέπει τον μηχανισμό ζημιάς σε μη γραμμικές διεργασίες όπως η απορρόφηση πολλαπλών φωτονίων και ο ιονισμός. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο δεν είναι δυνατόν να περιοριστεί απλώς η βαθμολογία LDT ενός παλμού νανοδευτερολέπτου σε αυτήν ενός υπερταχέος παλμού, επειδή ο φυσικός μηχανισμός της ζημιάς είναι διαφορετικός. Επομένως, υπό τις ίδιες συνθήκες χρήσης (π.χ. μήκος κύματος, διάρκεια παλμού και ρυθμός επανάληψης), μια οπτική συσκευή με επαρκώς υψηλή βαθμολογία LDT θα είναι η καλύτερη οπτική συσκευή για την συγκεκριμένη εφαρμογή σας. Τα οπτικά που δοκιμάζονται υπό διαφορετικές συνθήκες δεν είναι αντιπροσωπευτικά της πραγματικής απόδοσης των ίδιων οπτικών στο σύστημα.

Σχήμα 1: Μηχανισμοί βλάβης που προκαλείται από λέιζερ με διαφορετικές διάρκειες παλμών