Μοναδικό υπερταχύ λέιζερ μέρος δεύτερο

Μοναδικόςυπερταχύ λέιζερμέρος δεύτερο

Διασπορά και εξάπλωση παλμών: Ομαδική διασπορά καθυστέρησης
Μία από τις πιο δύσκολες τεχνικές προκλήσεις που αντιμετωπίζουμε κατά τη χρήση υπερταχέων λέιζερ είναι η διατήρηση της διάρκειας των εξαιρετικά σύντομων παλμών που αρχικά εκπέμπονται από τολέιζερ. Οι υπερταχείς παλμοί είναι πολύ ευαίσθητοι σε χρονική παραμόρφωση, γεγονός που κάνει τους παλμούς μεγαλύτερους. Αυτό το φαινόμενο χειροτερεύει καθώς η διάρκεια του αρχικού παλμού μειώνεται. Ενώ τα εξαιρετικά γρήγορα λέιζερ μπορούν να εκπέμψουν παλμούς διάρκειας 50 δευτερολέπτων, μπορούν να ενισχυθούν χρονικά 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 ένα μέτρο που ονομάζεται καθυστερημένη διασπορά ομάδας (GDD), επίσης γνωστό ως διασπορά δεύτερης τάξης. Στην πραγματικότητα, υπάρχουν επίσης όροι διασποράς υψηλότερης τάξης που μπορεί να επηρεάσουν τη χρονική κατανομή των παλμών υπερφάρτ-λέιζερ, αλλά στην πράξη, συνήθως αρκεί απλώς να εξεταστεί η επίδραση του GDD. Το GDD είναι μια τιμή που εξαρτάται από τη συχνότητα και είναι γραμμικά ανάλογη με το πάχος ενός δεδομένου υλικού. Τα οπτικά συστήματα μετάδοσης, όπως ο φακός, το παράθυρο και τα αντικειμενικά εξαρτήματα έχουν συνήθως θετικές τιμές GDD, γεγονός που δείχνει ότι όταν συμπιεστούν οι παλμοί μπορούν να δώσουν στα οπτικά συστήματα μετάδοσης μεγαλύτερη διάρκεια παλμού από αυτές που εκπέμπονται απόσυστήματα λέιζερ. Τα εξαρτήματα με χαμηλότερες συχνότητες (δηλαδή, μεγαλύτερα μήκη κύματος) διαδίδονται πιο γρήγορα από εξαρτήματα με υψηλότερες συχνότητες (δηλαδή, μικρότερα μήκη κύματος). Καθώς ο παλμός περνά μέσα από όλο και περισσότερη ύλη, το μήκος κύματος στον παλμό θα συνεχίσει να επεκτείνεται όλο και περισσότερο στο χρόνο. Για μικρότερες διάρκειες παλμού, και συνεπώς μεγαλύτερα εύρη ζώνης, αυτό το φαινόμενο είναι περαιτέρω υπερβολικό και μπορεί να οδηγήσει σε σημαντική παραμόρφωση του χρόνου παλμού.

Υπεργρήγορες εφαρμογές λέιζερ
φασματοσκοπία
Από την εμφάνιση των υπερταχέων πηγών λέιζερ, η φασματοσκοπία ήταν ένας από τους κύριους τομείς εφαρμογής τους. Με τη μείωση της διάρκειας του παλμού σε femtoseconds ή ακόμα και attoseconds, μπορούν τώρα να επιτευχθούν δυναμικές διαδικασίες στη φυσική, τη χημεία και τη βιολογία που ήταν ιστορικά αδύνατο να παρατηρηθούν. Μία από τις βασικές διαδικασίες είναι η ατομική κίνηση και η παρατήρηση της ατομικής κίνησης έχει βελτιώσει την επιστημονική κατανόηση θεμελιωδών διεργασιών όπως η μοριακή δόνηση, η μοριακή διάσταση και η μεταφορά ενέργειας σε φωτοσυνθετικές πρωτεΐνες.

βιοαπεικόνιση
Τα εξαιρετικά γρήγορα λέιζερ κορυφαίας ισχύος υποστηρίζουν μη γραμμικές διεργασίες και βελτιώνουν την ανάλυση για βιολογική απεικόνιση, όπως η μικροσκοπία πολλαπλών φωτονίων. Σε ένα σύστημα πολλαπλών φωτονίων, για να δημιουργηθεί ένα μη γραμμικό σήμα από ένα βιολογικό μέσο ή έναν στόχο φθορισμού, δύο φωτόνια πρέπει να επικαλύπτονται στο χώρο και στο χρόνο. Αυτός ο μη γραμμικός μηχανισμός βελτιώνει την ανάλυση της απεικόνισης μειώνοντας σημαντικά τα σήματα φθορισμού υποβάθρου που μαστίζουν τις μελέτες διεργασιών ενός φωτονίου. Το απλοποιημένο φόντο του σήματος απεικονίζεται. Η μικρότερη περιοχή διέγερσης του πολυφωτονικού μικροσκοπίου αποτρέπει επίσης τη φωτοτοξικότητα και ελαχιστοποιεί τη βλάβη στο δείγμα.

Εικόνα 1: Παράδειγμα διαγράμματος διαδρομής δέσμης σε πείραμα μικροσκοπίου πολλαπλών φωτονίων

Επεξεργασία υλικού με λέιζερ
Οι υπερταχείς πηγές λέιζερ έχουν επίσης φέρει επανάσταση στη μικρομηχανική με λέιζερ και στην επεξεργασία υλικών λόγω του μοναδικού τρόπου με τον οποίο αλληλεπιδρούν οι υπερμικροί παλμοί με τα υλικά. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, όταν συζητάμε το LDT, η διάρκεια του υπερταχύ παλμού είναι ταχύτερη από τη χρονική κλίμακα της διάχυσης θερμότητας στο πλέγμα του υλικού. Τα εξαιρετικά γρήγορα λέιζερ παράγουν μια πολύ μικρότερη ζώνη που επηρεάζεται από τη θερμότητα από ό,τιπαλμικά λέιζερ νανοδευτερόλεπτου, με αποτέλεσμα μικρότερες απώλειες τομής και ακριβέστερη μηχανική κατεργασία. Αυτή η αρχή εφαρμόζεται επίσης σε ιατρικές εφαρμογές, όπου η αυξημένη ακρίβεια της κοπής με λέιζερ υπερφάρτ συμβάλλει στη μείωση της βλάβης στον περιβάλλοντα ιστό και βελτιώνει την εμπειρία του ασθενούς κατά τη διάρκεια της χειρουργικής επέμβασης με λέιζερ.

Παλμοί Attosecond: το μέλλον των υπερταχέων λέιζερ
Καθώς η έρευνα συνεχίζεται για την προώθηση των υπερταχέων λέιζερ, αναπτύσσονται νέες και βελτιωμένες πηγές φωτός με μικρότερη διάρκεια παλμού. Για να αποκτήσουν εικόνα για ταχύτερες φυσικές διεργασίες, πολλοί ερευνητές εστιάζουν στη δημιουργία παλμών attosecond - περίπου 10-18 s στο εύρος μήκους κύματος ακραίου υπεριώδους (XUV). 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 ακόμη σημειώσει σημαντική πρόοδο, η συνεχιζόμενη έρευνα και οι εξελίξεις στον τομέα είναι σχεδόν βέβαιο ότι θα ωθήσουν αυτήν την τεχνολογία από το εργαστήριο και στην κατασκευή, όπως συνέβη με το femtosecond και το picosecondπηγές λέιζερ.