Јединствене карактеристике ултрабрзих ласера
Ултра-кратко трајање импулса ултрабрзих ласера даје овим системима јединствене карактеристике које их разликују од дуго пулсних или континуираних таласа (ЦВ) ласера. Да би се генерисали тако кратки импулси, потребна је широка спектрална ширина опсега. Облик импулса и централна таласна дужина одређују минималну ширину опсега потребну за производњу импулса одређеног трајања. Типично, овај однос се описује производом временског пропусног опсега (ТБП), који је изведен из принципа несигурности. ТБП Гаусовог дистрибуираног импулса је дат са.
ТБПГаусов{{0}}ΔτΔν≈0,441
Δτ је трајање импулса, а Δв је фреквенцијски опсег. У суштини, једначина показује да постоји инверзна веза између спектралног опсега и трајања импулса, што значи да како се трајање импулса смањује, ширина опсега потребна за генерисање тог импулса расте. Слика 1 илуструје минимални пропусни опсег потребан за подршку неколико различитих трајања импулса.
Слика 1: Минимални спектрални опсег потребан за подршку ласерских импулса од 10 пс (зелено), 500 фс (плаво) и 50 фс (црвено)
Слика 2: Приказ просечне снаге Павг и вршне снаге Ппеак за ласер са трајањем импулса т
Технички изазови ултрабрзих ласера
Широки спектрални опсег, висока вршна снага и кратко трајање импулса ултрабрзих ласера морају се правилно управљати у вашем систему. Често је један од најлакших изазова за решавање ласерски излаз широког спектра. Ако сте у прошлости првенствено користили дуже пулсне или континуиране таласне ласере, ваш постојећи инвентар оптике можда неће моћи да рефлектује или емитује пун опсег ултрабрзих импулса.
Праг оштећења ласера
Ултрабрза оптика такође има значајно другачији и тежи за навигацију праг ласерског оштећења (ЛДТ) од традиционалнијих ласерских извора (слика 3). Када се обезбеђује оптика за наносекундне импулсне ласере, ЛДТ вредности су обично реда величине 5-10 Ј/цм2. За ултрабрзу оптику, вредности ове величине су практично нечувене, јер је већа вероватноћа да ће вредности ЛДТ бити реда величине<1 J/cm2, usually closer to 0.3 J/cm2.
Значајне варијације у амплитуди ЛДТ за различита трајања импулса су последица механизма оштећења ласера заснованог на трајању импулса. За наносекундне ласере или ласере са дужим импулсом, примарни механизам који доводи до оштећења је топлотно загревање. Материјали превлаке и супстрата оптике апсорбују упадне фотоне и загревају се. Ово може довести до изобличења решетке материјала. Ефекти као што су термичко ширење, пуцање, топљење и напрезање решетке су уобичајени механизми термичког оштећења за ове врсте ласерских извора.
Слика 3: Ласерско оштећење оптичких површина, као што је овде приказано, може деградирати перформансе ласерског система, чинећи га бескорисним или чак опасним. Због кратког трајања импулса, механизми оштећења при коришћењу ултрабрзих ласера се значајно разликују од оних при употреби ласера са дужим импулсом.
Међутим, код ултрабрзих ласера, само трајање импулса је брже од временске скале преноса топлоте са ласера на решетку материјала, па стога топлотни ефекти нису примарни узрок оштећења изазваних ласером (слика 4). Уместо тога, вршна снага ултрабрзог ласера трансформише механизам оштећења у нелинеарне процесе као што су вишефотонска апсорпција и јонизација. Због тога није могуће једноставно смањити ЛДТ оцену наносекундног импулса на ону ултрабрзог импулса, јер су физички механизми оштећења различити. Стога, под истим условима употребе (нпр. таласна дужина, трајање импулса и фреквенција понављања), оптика са довољно високим ЛДТ рејтингом ће бити најбоља оптика за вашу конкретну примену. Оптика тестирана под различитим условима није репрезентативна за стварне перформансе исте оптике у систему.
Слика 4: Механизми оштећења изазваних ласером за различита трајања импулса
Дисперзија и проширење импулса: дисперзија групног кашњења
Један од најтежих техничких изазова са којима се сусрећу када се користе ултрабрзи ласери је одржавање трајања ултракратког импулса који ласер у почетку емитује. Ултрабрзи импулси су веома подложни временским аберацијама, које чине пулс дужим. Овај ефекат се погоршава како се почетно трајање пулса скраћује. Док ултрабрзи ласери могу да емитују импулсе у трајању од 50 секунди, могуће је проширити пулс у времену коришћењем огледала и сочива за испоруку импулса на циљну локацију, или чак само за пренос импулса кроз ваздух.
Ово временско изобличење се квантификује коришћењем метрике која се зове дисперзија групног кашњења (ГДД), такође позната као дисперзија другог реда. У ствари, постоје и термини дисперзије вишег реда који могу утицати на временску дистрибуцију ултрабрзих ласерских импулса, али у пракси је обично довољно испитати ефекат ГДД. ГДД је вредност зависна од фреквенције која се линеарно скалира са дебљином датог материјала. Трансмисиона оптика попут склопова сочива, прозора и сочива објектива обично има позитивне ГДД вредности, што указује на то да када се импулс једном компресује може дати оптици за пренос дуже трајање импулса од импулса који емитује ласерски систем. Компоненте ниже фреквенције (тј. дуже таласне дужине) се шире брже од компоненти више фреквенције (тј. краће таласне дужине). Како пулс путује кроз све више материје, таласне дужине у пулсу ће наставити да се протежу све даље и даље у времену. За краће трајање импулса, а самим тим и шири опсег, овај ефекат је додатно преувеличан и може довести до значајног изобличења времена импулса.
За дуже импулсе са трајањем импулса од наносекунде или чак пикосекунде, ГДД није велики проблем. Међутим, за краће фемтосекундне импулсе, чак и постављање комада Н-БК7 дебљине 10 мм на путању снопа може проширити импулс од 50 фс са центром на 800 нм за више од 12%, што је отприлике еквивалентно постављању два прозора или филтера у путања зрака.
Утицај ГДД-а на апликацију зависи од неколико фактора, укључујући трајање улазног импулса (τинпут), средишњу фреквенцију (или таласну дужину) и материјал кроз који се пулс шири.
Једначина (2) јасно показује да ће се за исту вредност ГДД, краће трајање импулса значајно проширити од дужег трајања улазног импулса. Због тога се ГДД не разматра у контексту наносекундних или пикосекундних импулса. На пример, ГДД од само 20,000 фс2 може да прошири импулс од 1пс за 0,2%. Примери у следећим параграфима показују да је ово еквивалентно ширењу импулса од 1030 нм у више од 1 м фузионисаног силицијум диоксида.
Индекс преламања материјала зависи од фреквенције светлости која путује кроз њега, а ГДД има сличну зависност од индекса преламања. Приликом одабира трансмисионе и рефракционе оптике за ултрабрзе системе, фузионисани силицијум се често препоручује јер има једну од најнижих ГДД вредности у видљивом и блиском инфрацрвеном опсегу таласних дужина. На пример, пропагирање импулса од 1030 нм кроз 1 мм фузионисаног силицијум диоксида ће произвести ГДД од око 19 фс2, али на истој таласној дужини, 1 мм СФ11 ће резултирати ГДД од више од 125 фс2 база података индекса преламања, као што је индекс преламања. .инфо, су користан ресурс за одређивање материјала који је најбоља оптика за коришћење при избору путања зрака, а ваш акумулирани ГДД је користан ресурс.
Због овог тренда позитивног ГДД и временског изобличења, топло се препоручује употреба специјализоване ултрабрзе оптике која производи мало или нимало додатног ГДД, чиме се смањује могућност за продужено трајање импулса.
Како знате да ли вам је потребна компресија пулса?
Када треба (поновно) компресовати ласерски пулс? У ултрабрзим апликацијама за снимање, као што је мултифотонска микроскопија, замућене слике указују на то да се пулс може растегнути у времену. Код ултрабрзе ласерске обраде, пулсно истезање може довести до смањене тачности и прецизности сечења. Протегнуто трајање импулса смањује вероватноћу мултифотонских интеракција, што смањује ефикасност ултрабрзог система. Иако није могуће обезбедити строга и брза правила за сваку ситуацију, следећи примери прорачуна помажу да се демонстрирају неке најбоље праксе за одређивање да ли је потребна компресија пулса.
Размотрите подешавање мултифотонског микроскопа са путањом зрака као што је приказано на слици 5.
Слика 5: Пример шеме путање зрака у експерименту мултифотонске микроскопије
Апроксимација првог реда ширења импулса може се добити сумирањем ГДД доприноса свих елемената у систему пре него што ласер стигне до узорка. Претпоставимо да су главни фактори који доприносе дисперзији експандер снопа, дихроични филтери и циљ фокусирања. Ми ћемо занемарити ефекат огледала за скенирање јер су обично направљена од металних премаза са ниским ГДД. Ако је пулс центриран на таласној дужини од 1030 нм, систем може лако додати више од 600 фс2 ГДД.
Да ли пулс у систему треба да се компресује или не зависи од трајања улазног импулса и специфичних потреба апликације. Ако почнете са импулсом од 150фс, пренос кроз оптику ће имати занемарљив утицај на трајање импулса. Међутим, ако ваша апликација захтева временску резолуцију која се може постићи само са ласерским импулсом од 10 фс, онда ће ова количина ГДД проузроковати да се ваш почетни пулс прошири на приближно 167 фс. У овом случају је потребна поновна компресија. Ови прецизни детаљи у великој мери зависе од ваше специфичне путање зрака и примене.
Ултрабрзе ласерске апликације
Спектроскопија
Спектроскопија је једна од главних области примене ултрабрзих ласерских извора светлости од њиховог увођења. Смањењем трајања пулса на фемтосекунде или чак атосекунде, сада су могући динамички процеси у физици, хемији и биологији које је историјски било немогуће посматрати. Један од кључних процеса је атомско кретање, чије је посматрање побољшало научно разумевање фундаменталних процеса као што су молекуларна вибрација, молекуларна дисоцијација и пренос енергије у фотосинтетичким протеинима.
Биоимагинг
Ултрабрзи ласери са великом вршном снагом подржавају нелинеарне процесе и побољшавају резолуцију за биоимаџинг, као што је мултифотонска микроскопија (слика 12). У мултифотонском систему, два фотона морају да се преклапају у простору и времену да би генерисали нелинеарни сигнал из биолошког медијума или флуоресцентне мете. Овај нелинеарни механизам побољшава резолуцију слике тако што значајно смањује позадински флуоресцентни сигнал који мучи студије једнофотонских процеса. Слика 13 илуструје ову поједностављену позадину сигнала. Мањи регион ексцитације мултифотонске микроскопије такође спречава фототоксичност и минимизира оштећење узорка.
Слика 6: Мултифотонска или нелинеарна микроскопија користи ултрабрзи ласерски извор за снимање тродимензионалних (3Д) слика високе резолуције са смањеним фотобељењем и фототоксичношћу у поређењу са конвенционалним техникама конфокалне микроскопије.
Слика 7: Приказ положаја сигнала двофотонског двофотонског (горе) и једнофотонског (доле) микроскопског система. Преклапање које производе два фотона резултира мањом запремином побуде, док на једнофотонски сигнал утиче позадински сигнал изван фокалне равни.
Ласерска обрада материјала
Ултрабрзи ласерски извори су такође револуционирали ласерску микромашинску обраду и обраду материјала због јединственог начина на који ултракратки импулси комуницирају са материјалима. Као што је раније поменуто, када се расправља о ЛДТ-у, ултрабрзо трајање импулса је брже од временске скале топлотне дифузије у решетку материјала. Ултрабрзи ласери производе много мању зону под утицајем топлоте од наносекундних импулсних ласера, што резултира мањим губитком урезивања и прецизнијом обрадом. Овај принцип се такође примењује на медицинске примене, где повећана прецизност ултрабрзог ласерског сечења помаже да се минимизира оштећење околног ткива и побољша искуство пацијента током ласерске операције.
Аттосекундни импулси: будућност ултрабрзих ласера
Како се истраживања унапређења ултрабрзих ласера настављају, развијају се нови и побољшани извори светлости са краћим трајањем импулса. Да би стекли увид у брже физичке процесе, многи истраживачи се фокусирају на генерисање атосекундних импулса – у екстремном ултраљубичастом (КСУВ) опсегу таласних дужина, атосекундни импулси су око 10-18 с. Аттосекундни импулси омогућавају праћење кретања електрона и побољшавају наше разумевање електронске структуре и квантне механике. Док интеграција КСУВ аттосекундних ласера у индустријске процесе још није добила значајну вучу, текућа истраживања и напредак у овој области ће скоро сигурно избацити ову технологију из лабораторије у производњу, као што је био случај са фемтосекундним и пикосекундним ласерским изворима.
