Unike egenskaper ved ultraraske lasere
De ultrakorte pulsvarighetene til ultraraske lasere gir disse systemene unike egenskaper som skiller dem fra lasere med lang puls eller kontinuerlig bølge (CW). For å generere slike korte pulser kreves en bred spektral båndbredde. Pulsformen og senterbølgelengden bestemmer minimumsbåndbredden som kreves for å produsere en puls av en bestemt varighet. Vanligvis er dette forholdet beskrevet av tidsbåndbreddeproduktet (TBP), som er avledet fra usikkerhetsprinsippet. TBP for en Gaussisk distribuert puls er gitt av.
TBPGaussisk{{0}}ΔτΔν≈0,441
Δτ er pulsvarigheten og Δv er frekvensbåndbredden. I hovedsak viser ligningen at det er et omvendt forhold mellom spektral båndbredde og pulsvarighet, noe som betyr at når pulsvarigheten avtar, øker båndbredden som kreves for å generere den pulsen. Figur 1 illustrerer minimumsbåndbredden som kreves for å støtte flere forskjellige pulsvarigheter.
Figur 1: Minimum spektral båndbredde som kreves for å støtte 10 ps (grønn), 500 fs (blå) og 50 fs (rød) laserpulser
Figur 2: Avbildning av gjennomsnittlig effekt Pavg og toppeffekt Ppeak for en laser med pulsvarighet t
Tekniske utfordringer ved ultraraske lasere
Den brede spektrale båndbredden, høye toppeffekten og korte pulsvarigheten til ultraraske lasere må administreres riktig i systemet ditt. Ofte er en av de enkleste av disse utfordringene å ta tak i laserens bredspektrede utgang. Hvis du først og fremst har brukt lengre pulsede eller kontinuerlige bølgelasere tidligere, kan det hende at din eksisterende beholdning av optikk ikke er i stand til å reflektere eller overføre hele båndbredden til ultraraske pulser.
Laserskadeterskel
Ultrarask optikk har også en vesentlig annen og vanskeligere å navigere laserskadeterskel (LDT) enn mer tradisjonelle laserkilder (Figur 3). Når det tilbys optikk for nanosekunders pulserende lasere, er LDT-verdier vanligvis i størrelsesorden 5-10 J/cm2. For ultrarask optikk er verdier av denne størrelsesorden praktisk talt uhørt, da LDT-verdier er mer sannsynlig å være i størrelsesorden<1 J/cm2, usually closer to 0.3 J/cm2.
Den betydelige variasjonen i LDT-amplitude for forskjellige pulsvarigheter er en konsekvens av laserskademekanismen basert på pulsvarighet. For nanosekundlasere eller lengre pulserende lasere er den primære mekanismen som fører til skade termisk oppvarming. Belegget og substratmaterialene til optikken absorberer de innfallende fotonene og varmes opp. Dette kan føre til forvrengning av materialgitteret. Effekter som termisk ekspansjon, sprekkdannelse, smelting og gitterbelastning er vanlige termiske skademekanismer for denne typen laserkilder.
Figur 3: Laserskader på optiske overflater, som vist her, kan forringe ytelsen til et lasersystem, gjøre det ubrukelig eller til og med farlig. På grunn av den korte pulsvarigheten er skademekanismene ved bruk av ultraraske lasere vesentlig forskjellige fra de ved bruk av lengre pulslasere.
Med ultraraske lasere er imidlertid selve pulsvarigheten raskere enn tidsskalaen for varmeoverføring fra laseren til materialgitteret, og derfor er ikke termiske effekter den primære årsaken til laserindusert skade (Figur 4). I stedet forvandler toppkraften til den ultraraske laseren skademekanismen til ikke-lineære prosesser som multifotonabsorpsjon og ionisering. Dette er grunnen til at det ikke er mulig å bare skalere ned LDT-vurderingen til en nanosekundpuls til den for en ultrarask puls, fordi de fysiske skademekanismene er forskjellige. Derfor, under de samme bruksforholdene (f.eks. bølgelengde, pulsvarighet og repetisjonsfrekvens), vil en optikk med en tilstrekkelig høy LDT-klassifisering være den beste optikken for din spesifikke applikasjon. Optikk testet under forskjellige forhold er ikke representativt for den faktiske ytelsen til samme optikk i et system.
Figur 4: Laserinduserte skademekanismer for forskjellige pulsvarigheter
Dispersjon og pulsforlengelse: Dispersjon med gruppeforsinkelse
En av de vanskeligste tekniske utfordringene man møter ved bruk av ultraraske lasere, er å opprettholde varigheten til den ultrakorte pulsen som opprinnelig sendes ut av laseren. Ultraraske pulser er svært utsatt for tidsavvik, som gjør pulsen lengre. Denne effekten blir verre ettersom den første pulsvarigheten forkortes. Mens ultraraske lasere kan sende ut pulser med en varighet på 50 sekunder, er det mulig å utvide pulsen i tid ved å bruke speil og linser for å levere pulsen til målstedet, eller til og med bare for å overføre pulsen gjennom luften.
Denne tidsforvrengningen kvantifiseres ved hjelp av en beregning kalt gruppeforsinkelsesdispersjon (GDD), også kjent som annenordens dispersjon. Faktisk er det også høyere ordens spredningsbegreper som kan påvirke den tidsmessige fordelingen av ultraraske laserpulser, men i praksis er det vanligvis tilstrekkelig å undersøke effekten av GDD. GDD er en frekvensavhengig verdi som skaleres lineært med tykkelsen til et gitt materiale. Overføringsoptikk som linse-, vindu- og objektivlinsesammenstillinger har vanligvis positive GDD-verdier, noe som indikerer at når pulsen er komprimert, kan den gi overføringsoptikken en lengre pulsvarighet enn pulsen som sendes ut av lasersystemet. Komponenter med lavere frekvens (dvs. lengre bølgelengde) forplanter seg raskere enn komponenter med høyere frekvens (dvs. kortere bølgelengde). Ettersom pulsen beveger seg gjennom mer og mer materie, vil bølgelengdene i pulsen fortsette å strekke seg lenger og lenger i tid. For kortere pulsvarighet, og derfor bredere båndbredder, er denne effekten ytterligere overdrevet og kan føre til betydelig pulstidsforvrengning.
For lengre pulser med nanosekunders eller til og med pikosekunds pulsvarighet, er ikke GDD et stort problem. For kortere femtosekundpulser kan imidlertid selv å plassere et 10 mm tykt stykke N-BK7 i strålebanen utvide en 50 fs puls sentrert ved 800 nm med mer enn 12 %, noe som omtrent tilsvarer å plassere to vinduer eller filtre i strålebane.
Virkningen av GDD på en applikasjon avhenger av flere faktorer, inkludert inngangspulsvarigheten (τinngang), senterfrekvensen (eller bølgelengden) og materialet som pulsen forplanter seg gjennom.
Ligning (2) viser tydelig at for samme verdi av GDD vil en kortere pulsvarighet utvides mer betydelig enn en lengre inngangspulsvarighet. Dette er grunnen til at GDD ikke diskuteres i sammenheng med nanosekund- eller pikosekundpulser. For eksempel kan en GDD på bare 20,000 fs2 utvide en 1ps-puls med 0,2 %. Eksemplene i de følgende avsnittene viser at dette tilsvarer å forplante en 1030 nm puls til mer enn 1 m smeltet silika.
Brytningsindeksen til et materiale avhenger av frekvensen av lys som reiser gjennom det, og GDD har en lignende avhengighet av brytningsindeksen. Når du velger transmisjons- og refraksjonsoptikk for ultraraske systemer, anbefales ofte smeltet silika fordi det har en av de laveste GDD-verdiene i det synlige og nær-infrarøde bølgelengdeområdet. For eksempel vil forplantning av en 1030 nm puls gjennom 1 mm smeltet silika produsere en GDD på omtrent 19 fs2, men ved samme bølgelengde vil 1 mm SF11 resultere i en GDD på mer enn 125 fs2 refraktive indeksdatabaser, for eksempel refractivendex .info, er en nyttig ressurs for å bestemme hvilket materiale som er den beste optikken for bruk i stråleveivalg, og din akkumulerte GDD er en nyttig ressurs.
På grunn av denne trenden med positiv GDD og tidsforvrengning, anbefales det på det sterkeste å bruke spesialisert ultrarask optikk som produserer lite eller ingen ekstra GDD, og dermed redusere muligheten for forlenget pulsvarighet.
Hvordan vet du om du trenger pulskompresjon?
Når trenger du å (re)komprimere en laserpuls? I ultraraske bildebehandlingsapplikasjoner som multifotonmikroskopi indikerer uskarpe bilder at pulsen kan strekkes i tid. Ved ultrarask laserbehandling kan pulsstrekking føre til redusert skjærenøyaktighet og presisjon. Strukket pulsvarighet reduserer sannsynligheten for multifotoninteraksjoner, noe som reduserer effektiviteten til det ultraraske systemet. Selv om det ikke er mulig å gi strenge og raske regler for enhver situasjon, hjelper følgende eksempelberegninger å demonstrere noen beste fremgangsmåter for å avgjøre om pulskompresjon er nødvendig.
Vurder et multifotonmikroskopoppsett med en strålebane som vist i figur 5.
Figur 5: Eksempelskjema av strålebanen i et multifotonmikroskopi-eksperiment
En førsteordens tilnærming av pulsekspansjonen kan oppnås ved å summere GDD-bidragene til alle elementene i systemet før laseren når prøven. La oss anta at de viktigste bidragsyterne til spredningen er strålekspanderen, de dikroiske filtrene og fokusobjektivet. Vi vil ignorere effekten av skannespeilene siden de vanligvis er laget av metallbelegg med lav GDD. Hvis pulsen er sentrert ved en bølgelengde på 1030 nm, kan systemet enkelt legge til mer enn 600 fs2 av GDD.
Hvorvidt pulsen i systemet må komprimeres eller ikke, avhenger av inngangspulsens varighet og de spesifikke behovene til applikasjonen. Hvis du starter med en 150fs puls, vil overføringen gjennom optikken ha en ubetydelig effekt på pulsvarigheten. Imidlertid, hvis applikasjonen din krever en tidsmessig oppløsning som bare kan oppnås med en 10 fs laserpuls, vil denne mengden GDD føre til at den første pulsen utvides til omtrent 167 fs. I dette tilfellet er rekomprimering nødvendig. Disse nøyaktige detaljene er svært avhengig av din spesielle strålebane og bruksområde.
Ultraraske laserapplikasjoner
Spektroskopi
Spektroskopi har vært et av de viktigste bruksområdene for ultraraske laserlyskilder siden de ble introdusert. Ved å redusere pulsvarighetene til femtosekunder eller til og med attosekunder, er dynamiske prosesser innen fysikk, kjemi og biologi som historisk sett var umulige å observere nå mulig. En av nøkkelprosessene er atombevegelse, hvis observasjon har forbedret den vitenskapelige forståelsen av grunnleggende prosesser som molekylær vibrasjon, molekylær dissosiasjon og energioverføring i fotosyntetiske proteiner.
Bioimaging
Ultraraske lasere med høy toppeffekt støtter ikke-lineære prosesser og forbedrer oppløsningen for bioavbildning, for eksempel multifotonmikroskopi (fig. 12). I et multifotonsystem må to fotoner overlappe i rom og tid for å generere et ikke-lineært signal fra et biologisk medium eller fluorescerende mål. Denne ikke-lineære mekanismen forbedrer bildeoppløsningen ved å redusere bakgrunnsfluorescenssignalet betydelig som plager studier av enkeltfotonprosesser. Figur 13 illustrerer denne forenklede signalbakgrunnen. Det mindre eksitasjonsområdet til multifotonmikroskopi forhindrer også fototoksisitet og minimerer skade på prøven.
Figur 6: Multifoton eller ikke-lineær mikroskopi bruker en ultrarask laserkilde for å fange høyoppløselige tredimensjonale (3D) bilder med redusert fotobleking og fototoksisitet sammenlignet med konvensjonelle konfokalmikroskopiteknikker.
Figur 7: Signalposisjonsavbildning av et to-foton to-foton (øverst) og enkelt-foton (bunn) mikroskopisystem. Overlappingen produsert av de to fotonene resulterer i et mindre eksitasjonsvolum, mens enkeltfotonsignalet påvirkes av bakgrunnssignalet fra utenfor fokalplanet.
Lasermaterialebehandling
Ultraraske laserkilder har også revolusjonert lasermikromaskinering og materialbehandling på grunn av den unike måten ultrakorte pulser samhandler med materialer. Som nevnt tidligere, når vi diskuterer LDT, er den ultraraske pulsvarigheten raskere enn tidsskalaen for termisk diffusjon inn i materialgitteret. Ultraraske lasere produserer en mye mindre varmepåvirket sone enn nanosekunders pulsede lasere, noe som resulterer i lavere snitttap og mer presis prosessering. Dette prinsippet gjelder også for medisinske applikasjoner, hvor den økte presisjonen til ultrarask laserskjæring bidrar til å minimere skade på omkringliggende vev og forbedre pasientopplevelsen under laserkirurgi.
Attosekundpulser: fremtiden til ultraraske lasere
Ettersom forskningen på å fremme ultraraske lasere fortsetter, utvikles nye og forbedrede lyskilder med kortere pulsvarighet. For å få innsikt i raskere fysiske prosesser, fokuserer mange forskere på generering av attosekundpulser – i det ekstreme ultrafiolette (XUV) bølgelengdeområdet er attosekundpulser omtrent 10-18 s. Attosecond-pulser tillater sporing av elektronbevegelser og forbedrer vår forståelse av elektronisk struktur og kvantemekanikk. Selv om integreringen av XUV attosecond-lasere i industrielle prosesser ennå ikke har fått betydelig gjennomslag, vil pågående forskning og fremskritt på feltet nesten helt sikkert presse denne teknologien ut av laboratoriet og inn i produksjon, slik tilfellet har vært med femtosekund- og pikosekundlaserkilder.
