Ultrafast lazerlarning o'ziga xos xususiyatlari
Ultra tez lazerlarning o'ta qisqa puls davomiyligi bu tizimlarga ularni uzoq pulsli yoki uzluksiz to'lqinli (CW) lazerlardan ajratib turadigan o'ziga xos xususiyatlarni beradi. Bunday qisqa impulslarni yaratish uchun keng spektrli tarmoqli kengligi talab qilinadi. Impuls shakli va markaziy to'lqin uzunligi ma'lum bir muddatdagi impulsni ishlab chiqarish uchun zarur bo'lgan minimal tarmoqli kengligini aniqlaydi. Odatda, bu munosabat noaniqlik printsipidan kelib chiqadigan vaqt o'tkazuvchanligi mahsuloti (TBP) bilan tavsiflanadi. Gauss taqsimlangan pulsning TBP si bilan beriladi.
TBPGaussian{{0}}Dyn≈0,441
Dt - impulsning davomiyligi va Dv - chastota o'tkazuvchanligi. Asosan, tenglama spektral tarmoqli kengligi va impuls davomiyligi o'rtasida teskari bog'liqlik mavjudligini ko'rsatadi, ya'ni impuls davomiyligi pasayganda, bu impulsni yaratish uchun zarur bo'lgan tarmoqli kengligi ortadi. 1-rasmda bir necha xil impuls davomiyligini qo'llab-quvvatlash uchun zarur bo'lgan minimal tarmoqli kengligi ko'rsatilgan.
1-rasm: 10 ps (yashil), 500 fs (ko‘k) va 50 fs (qizil) lazer impulslarini qo‘llab-quvvatlash uchun zarur bo‘lgan minimal spektral tarmoqli kengligi
2-rasm: Puls davomiyligi t bo'lgan lazer uchun o'rtacha quvvat Pavg va eng yuqori quvvat Ppeak tasviri
Ultrafast lazerlarning texnik muammolari
Ultratez lazerlarning keng spektrli tarmoqli kengligi, yuqori cho'qqi quvvati va qisqa puls davomiyligi tizimingizda to'g'ri boshqarilishi kerak. Ko'pincha bu muammolardan biri lazerning keng spektrli chiqishidir. Agar siz avvalroq uzoqroq impulsli yoki uzluksiz to'lqinli lazerlardan foydalangan bo'lsangiz, sizning mavjud optika inventaringiz o'ta tez pulslarning to'liq tarmoqli kengligini aks ettira yoki uzata olmasligi mumkin.
Lazerning shikastlanish chegarasi
Ultrafast optika, shuningdek, an'anaviy lazer manbalariga qaraganda sezilarli darajada farq qiladi va navigatsiya qilish qiyinroq bo'lgan lazer shikastlanish chegarasiga (LDT) ega (3-rasm). Nanosoniyali impulsli lazerlar uchun optikani ta'minlashda LDT qiymatlari odatda 5-10 J/sm2 tartibida bo'ladi. Ultrafast optika uchun bunday kattalikdagi qiymatlar deyarli eshitilmaydi, chunki LDT qiymatlari ko'proq tartibda bo'ladi.<1 J/cm2, usually closer to 0.3 J/cm2.
Pulsning turli muddatlari uchun LDT amplitudasining sezilarli o'zgarishi pulsning davomiyligiga asoslangan lazer shikastlanish mexanizmining natijasidir. Nanosoniyali lazerlar yoki uzoqroq impulsli lazerlar uchun shikastlanishga olib keladigan asosiy mexanizm termal isitishdir. Optikaning qoplamasi va substrat materiallari tushayotgan fotonlarni o'zlashtiradi va qiziydi. Bu material panjarasining buzilishiga olib kelishi mumkin. Termal kengayish, yorilish, erish va panjara kuchlanishi kabi ta'sirlar lazer manbalarining ushbu turlari uchun umumiy termal shikastlanish mexanizmlari hisoblanadi.
3-rasm: Bu erda ko'rsatilganidek, optik yuzalarning lazer shikastlanishi lazer tizimining ish faoliyatini yomonlashtirishi, uni foydasiz yoki hatto xavfli holga keltirishi mumkin. Qisqa impuls davomiyligi tufayli ultrafast lazerlarni ishlatishda shikastlanish mexanizmlari uzoqroq pulsli lazerlardan foydalanishdan sezilarli darajada farq qiladi.
Biroq, o'ta tezkor lazerlar bilan impuls davomiyligining o'zi lazerdan material panjarasiga issiqlik o'tkazish vaqt shkalasidan tezroq bo'ladi va shuning uchun termal effektlar lazer ta'sirida shikastlanishning asosiy sababi emas (4-rasm). Buning o'rniga, ultrafast lazerning eng yuqori quvvati shikastlanish mexanizmini multifotonni yutish va ionlash kabi chiziqli bo'lmagan jarayonlarga aylantiradi. Shuning uchun nanosekundlik impulsning LDT ko'rsatkichini o'ta tez pulsga qisqartirish mumkin emas, chunki shikastlanishning jismoniy mexanizmlari boshqacha. Shuning uchun, bir xil foydalanish shartlarida (masalan, to'lqin uzunligi, zarba davomiyligi va takrorlanish chastotasi) etarlicha yuqori LDT reytingiga ega optik sizning maxsus ilovangiz uchun eng yaxshi optika bo'ladi. Turli xil sharoitlarda sinovdan o'tgan optika tizimdagi bir xil optikaning haqiqiy ishlashini ifodalamaydi.
4-rasm: Turli xil pulslarning davomiyligi uchun lazer ta'siri ostida zararlanish mexanizmlari
Dispersiya va impulsning kengayishi: guruhning kechikish dispersiyasi
Ultrafast lazerlarni qo'llashda duch keladigan eng qiyin texnik muammolardan biri lazer tomonidan chiqarilgan ultra qisqa pulsning davomiyligini saqlab qolishdir. Ultrafast impulslar pulsni uzoqroq qiladigan vaqt buzilishlariga juda sezgir. Bu ta'sir pulsning dastlabki davomiyligi qisqarganligi sababli yomonlashadi. O'ta tezkor lazerlar 50 soniya davomiylikdagi impulslarni chiqarishi mumkin bo'lsa-da, pulsni maqsadli joyga etkazish uchun ko'zgu va linzalar yordamida pulsni o'z vaqtida kengaytirish yoki hatto pulsni havo orqali uzatish mumkin.
Bu vaqt buzilishi ikkinchi tartibli dispersiya deb ham ataladigan guruh kechikish dispersiyasi (GDD) deb ataladigan metrik yordamida aniqlanadi. Darhaqiqat, ultratez lazer pulslarining vaqtincha taqsimlanishiga ta'sir qilishi mumkin bo'lgan yuqori tartibli dispersiya atamalari ham mavjud, ammo amalda odatda GDD ta'sirini tekshirish etarli. GDD chastotaga bog'liq qiymat bo'lib, u berilgan materialning qalinligi bilan chiziqli ravishda o'zgaradi. Ob'ektiv, oyna va ob'ektiv linzalari kabi uzatish optikasi odatda ijobiy GDD qiymatlariga ega, bu bir marta siqilgan puls uzatish optikasiga lazer tizimi chiqaradigan pulsdan ko'ra ko'proq puls davomiyligini berishi mumkinligini ko'rsatadi. Past chastotali (ya'ni, uzunroq to'lqin uzunligi) komponentlar yuqori chastotali (ya'ni, to'lqin uzunligi qisqaroq) komponentlarga qaraganda tezroq tarqaladi. Puls ko'proq va ko'proq materiya bo'ylab harakatlanar ekan, pulsdagi to'lqin uzunliklari vaqt o'tishi bilan uzoqroq va uzoqroqqa cho'zilishda davom etadi. Pulsning qisqaroq davomiyligi va shuning uchun kengroq tarmoqli kengligi uchun bu ta'sir yanada oshirib yuboriladi va impuls vaqtining sezilarli buzilishiga olib kelishi mumkin.
Nanosekund yoki hatto pikosekundlik puls davomiyligi bilan uzoqroq impulslar uchun GDD muhim muammo emas. Biroq, qisqaroq femtosekundli impulslar uchun, hatto nur yo'liga 10 mm qalinlikdagi N-BK7 bo'lagini qo'yish ham markazda 800 nm bo'lgan 50 fs pulsni 12% dan ko'proq kengaytirishi mumkin, bu taxminan ikkita oyna yoki filtr qo'yish bilan tengdir. nurli yo'l.
GDD ning dasturga ta'siri bir necha omillarga bog'liq, jumladan, kirish impulsining davomiyligi (t kirish), markaz chastotasi (yoki to'lqin uzunligi) va impuls tarqaladigan material.
Tenglama (2) aniq ko'rsatadiki, GDD ning bir xil qiymati uchun qisqaroq impuls davomiyligi uzoqroq kirish pulsining davomiyligiga qaraganda sezilarli darajada kengayadi. Shuning uchun GDD nanosoniya yoki pikosoniyali impulslar kontekstida muhokama qilinmaydi. Masalan, atigi 20,000 fs2 bo'lgan GDD 1ps pulsni 0,2% ga kengaytirishi mumkin. Quyidagi paragraflardagi misollar shuni ko'rsatadiki, bu 1 m dan ortiq eritilgan kremniy oksidiga 1030 nm impulsni tarqatish bilan tengdir.
Materialning sinishi ko'rsatkichi u orqali o'tadigan yorug'lik chastotasiga bog'liq va GDD sinishi ko'rsatkichiga xuddi shunday bog'liqdir. Ultrafast tizimlar uchun uzatish va sinishi optikasini tanlashda eritilgan kremniy ko'pincha tavsiya etiladi, chunki u ko'rinadigan va yaqin infraqizil to'lqin uzunligi diapazonlarida eng past GDD qiymatlaridan biriga ega. Misol uchun, 1030 nm impulsni 1 mm eritilgan kremniy oksidi orqali tarqatish taxminan 19 fs2 GDD hosil qiladi, lekin bir xil to'lqin uzunligida 1 mm SF11 125 fs2 dan ortiq GDD ga olib keladi sinishi indeksi ma'lumotlar bazalari, masalan, refraktiv indeks .info, nur yo'llarini tanlashda qaysi material eng yaxshi optika ekanligini aniqlash uchun foydali manba va sizning to'plangan GDD foydali manbadir.
Ijobiy GDD va vaqtni o'zgartirish tendentsiyasi tufayli, qo'shimcha GDD ishlab chiqaradigan yoki umuman yo'q bo'lgan ixtisoslashgan ultrafast optikadan foydalanish tavsiya etiladi, bu esa pulsning uzaytirilishi imkoniyatini kamaytiradi.
Pulsni siqish kerakligini qanday bilasiz?
Qachon lazer pulsini (qayta) siqish kerak? Multifotonli mikroskop kabi ultra tezkor tasvirlash dasturlarida loyqa tasvirlar pulsning vaqtida cho'zilishi mumkinligini ko'rsatadi. Ultrafast lazerli ishlov berishda pulsni cho'zish kesish aniqligi va aniqligini pasayishiga olib kelishi mumkin. Uzatilgan impuls davomiyligi multifoton o'zaro ta'sir qilish ehtimolini kamaytiradi, bu ultrafast tizimning samaradorligini pasaytiradi. Har bir vaziyat uchun qat'iy va tezkor qoidalarni taqdim etishning iloji bo'lmasa-da, quyidagi misol hisob-kitoblari pulsni siqish kerakligini aniqlash uchun eng yaxshi amaliyotlarni ko'rsatishga yordam beradi.
5-rasmda ko'rsatilganidek, nurlanish yo'li bilan multifotonli mikroskopni ko'rib chiqing.
5-rasm: Multifotonli mikroskopiya tajribasida nur yo'lining misol sxemasi
Lazer namunaga yetib borgunga qadar tizimdagi barcha elementlarning GDD hissalarini yig'ish orqali impuls kengayishining birinchi darajali yaqinlashuvini olish mumkin. Faraz qilaylik, dispersiyaga asosiy hissa qo'shuvchilar nurni kengaytiruvchi, dikroik filtrlar va fokuslash maqsadi hisoblanadi. Biz skanerlash oynalarining ta'sirini e'tiborsiz qoldiramiz, chunki ular odatda past GDD metall qoplamalaridan qilingan. Agar puls 1030 nm to'lqin uzunligida markazlashtirilgan bo'lsa, tizim osongina 600 fs2 dan ortiq GDD qo'shishi mumkin.
Tizimdagi impulsni siqish kerakmi yoki yo'qmi, kirish pulsining davomiyligi va dasturning o'ziga xos ehtiyojlariga bog'liq. Agar siz 150 fs puls bilan boshlasangiz, optika orqali uzatish impuls davomiyligiga ahamiyatsiz ta'sir ko'rsatadi. Ammo, agar sizning arizangiz faqat 10 fs lazer zarbasi bilan erishish mumkin bo'lgan vaqtinchalik ruxsatni talab qilsa, bu GDD miqdori sizning dastlabki pulsingizni taxminan 167 fs gacha kengaytirishga olib keladi. Bunday holda, qayta siqish talab qilinadi. Ushbu aniq tafsilotlar sizning maxsus nur yo'lingiz va qo'llanilishingizga juda bog'liq.
Ultratez lazer ilovalari
Spektroskopiya
Spektroskopiya o'ta tezkor lazer yorug'lik manbalarini joriy qilinganidan beri asosiy qo'llash sohalaridan biri bo'lib kelgan. Pulsning davomiyligini femtosekundlarga yoki hatto attosekundlarga qisqartirish orqali fizika, kimyo va biologiyada tarixan kuzatish mumkin bo'lmagan dinamik jarayonlar endi mumkin. Asosiy jarayonlardan biri atom harakati bo'lib, uning kuzatilishi fotosintetik oqsillarda molekulyar tebranish, molekulyar dissotsiatsiya va energiya almashinuvi kabi fundamental jarayonlarni ilmiy tushunishni yaxshiladi.
Biyoimaging
Yuqori quvvatga ega ultra tezkor lazerlar chiziqli bo'lmagan jarayonlarni qo'llab-quvvatlaydi va bioimaging uchun ruxsatni yaxshilaydi, masalan, multifotonli mikroskop (12-rasm). Multifotonli tizimda biologik muhit yoki lyuminestsent nishondan chiziqli bo'lmagan signal hosil qilish uchun ikkita foton fazoda va vaqt ichida bir-biriga mos kelishi kerak. Ushbu chiziqli bo'lmagan mexanizm bitta fotonli jarayonlarni o'rganishga ta'sir qiluvchi fon floresansi signalini sezilarli darajada kamaytirish orqali tasvirning ruxsatini yaxshilaydi. 13-rasmda ushbu soddalashtirilgan signal foni tasvirlangan. Multifoton mikroskopining kichikroq qo'zg'alish hududi ham fototoksiklikni oldini oladi va namunaga zarar yetkazishni kamaytiradi.
6-rasm: Multifoton yoki chiziqli bo'lmagan mikroskopiya an'anaviy konfokal mikroskopiya usullariga nisbatan kam fotooqartirish va fototoksiklik bilan yuqori aniqlikdagi uch o'lchovli (3D) tasvirlarni olish uchun ultra tezkor lazer manbasidan foydalanadi.
7-rasm: Ikki fotonli ikki fotonli (yuqori) va bitta fotonli (pastki) mikroskop tizimining signal holati tasviri. Ikki foton tomonidan ishlab chiqarilgan bir-birining ustiga chiqishi kichikroq qo'zg'alish hajmiga olib keladi, bir fotonli signal esa fokus tekisligidan tashqaridagi fon signaliga ta'sir qiladi.
Materiallarni lazer bilan qayta ishlash
Ultra tezkor lazer manbalari, shuningdek, ultraqisqa impulslarning materiallar bilan o'zaro ta'sirining noyob usuli tufayli lazerli mikro ishlov berish va materiallarni qayta ishlashda inqilob qildi. Yuqorida aytib o'tilganidek, LDT haqida gapirganda, ultratez pulsning davomiyligi material panjarasiga termal diffuziyaning vaqt shkalasidan tezroq. Ultrafast lazerlar nanosoniyali impulsli lazerlarga qaraganda ancha kichikroq issiqlik ta'sir qiladigan zona hosil qiladi, bu esa kerf yo'qotilishini kamaytiradi va aniqroq ishlov beradi. Ushbu tamoyil tibbiy ilovalar uchun ham qo'llaniladi, bu erda ultratez lazer bilan kesishning yuqori aniqligi atrofdagi to'qimalarga zarar etkazilishini minimallashtirishga va lazer operatsiyasi paytida bemorning tajribasini yaxshilashga yordam beradi.
Attosekund impulslari: ultratezkor lazerlarning kelajagi
Ilg'or ultrafast lazerlar bo'yicha tadqiqotlar davom etar ekan, qisqaroq impuls davomiyligiga ega yangi va takomillashtirilgan yorug'lik manbalari ishlab chiqilmoqda. Tezroq jismoniy jarayonlarni tushunish uchun ko'plab tadqiqotchilar attosekund impulslarini yaratishga e'tibor qaratmoqdalar - ekstremal ultrabinafsha (XUV) to'lqin uzunligi diapazonida, attosekund impulslari taxminan 10-18 s ni tashkil qiladi. Attosekund impulslari elektronlar harakatini kuzatish imkonini beradi va elektron struktura va kvant mexanikasi haqidagi tushunchamizni yaxshilaydi. XUV attosekundli lazerlarni sanoat jarayonlariga integratsiyalashuvi hali sezilarli kuchga ega bo'lmagan bo'lsa-da, davom etayotgan tadqiqotlar va sohadagi yutuqlar, femtosekund va pikosoniya lazer manbalarida bo'lgani kabi, bu texnologiyani laboratoriyadan tashqariga chiqarib, ishlab chiqarishga olib keladi.
