Unikke egenskaber ved ultrahurtige lasere
De ultrakorte pulsvarigheder af ultrahurtige lasere giver disse systemer unikke egenskaber, der adskiller dem fra lasere med lang puls eller kontinuerlig bølge (CW). For at generere sådanne korte impulser kræves en bred spektral båndbredde. Pulsformen og centerbølgelængden bestemmer den mindste båndbredde, der kræves for at producere en puls af en bestemt varighed. Typisk er dette forhold beskrevet af tidsbåndbreddeproduktet (TBP), som er afledt af usikkerhedsprincippet. TBP for en Gaussisk distribueret puls er givet af.
TBPGaussisk{{0}}ΔτΔν≈0,441
Δτ er pulsvarigheden, og Δv er frekvensbåndbredden. I det væsentlige viser ligningen, at der er et omvendt forhold mellem spektral båndbredde og pulsvarighed, hvilket betyder, at når pulsvarigheden falder, stiger den båndbredde, der kræves for at generere den puls. Figur 1 illustrerer den minimale båndbredde, der kræves for at understøtte flere forskellige pulsvarigheder.
Figur 1: Minimum spektral båndbredde, der kræves for at understøtte 10 ps (grøn), 500 fs (blå) og 50 fs (rød) laserimpulser
Figur 2: Afbildning af gennemsnitseffekt Pavg og spidseffekt Ppeak for en laser med pulsvarighed t
Tekniske udfordringer ved ultrahurtige lasere
Den brede spektrale båndbredde, høje spidseffekt og korte pulsvarighed af ultrahurtige lasere skal administreres korrekt i dit system. Ofte er en af de nemmeste af disse udfordringer at løse, laserens bredspektrede output. Hvis du primært har brugt længere pulserende eller kontinuerlige bølgelasere tidligere, er din eksisterende optik muligvis ikke i stand til at reflektere eller transmittere den fulde båndbredde af ultrahurtige pulser.
Laserskadetærskel
Ultrahurtig optik har også en væsentligt anderledes og mere vanskelig at navigere laserskadetærskel (LDT) end mere traditionelle laserkilder (Figur 3). Når der leveres optik til nanosekunds pulserende lasere, er LDT-værdier typisk i størrelsesordenen 5-10 J/cm2. For ultrahurtig optik er værdier af denne størrelsesorden praktisk talt uhørte, da LDT-værdier er mere tilbøjelige til at være i størrelsesordenen ca.<1 J/cm2, usually closer to 0.3 J/cm2.
Den betydelige variation i LDT-amplitude for forskellige pulsvarigheder er en konsekvens af laserskademekanismen baseret på pulsvarighed. For nanosekundlasere eller længere pulserende lasere er den primære mekanisme, der fører til skade, termisk opvarmning. Optikkens belægning og substratmaterialer absorberer de indfaldende fotoner og opvarmes. Dette kan føre til forvrængning af materialegitteret. Effekter såsom termisk ekspansion, revnedannelse, smeltning og gitterbelastning er almindelige termiske skadesmekanismer for disse typer laserkilder.
Figur 3: Laserskader på optiske overflader, som vist her, kan forringe ydeevnen af et lasersystem, gøre det ubrugeligt eller endda farligt. På grund af den korte pulsvarighed er skadesmekanismerne ved brug af ultrahurtige lasere væsentligt forskellige fra dem ved brug af længere pulslasere.
Men med ultrahurtige lasere er selve pulsvarigheden hurtigere end tidsskalaen for varmeoverførsel fra laseren til materialets gitter, og derfor er termiske effekter ikke den primære årsag til laserinduceret skade (figur 4). I stedet forvandler den ultrahurtige lasers spidseffekt skademekanismen til ikke-lineære processer såsom multifotonabsorption og ionisering. Det er derfor, det ikke er muligt blot at nedskalere LDT-vurderingen af en nanosekundpuls til den for en ultrahurtig puls, fordi de fysiske skadesmekanismer er forskellige. Derfor, under de samme brugsbetingelser (f.eks. bølgelængde, pulsvarighed og gentagelsesfrekvens), vil en optik med en tilstrækkelig høj LDT-klassificering være den bedste optik til netop din anvendelse. Optik testet under forskellige forhold er ikke repræsentativ for den faktiske ydeevne af den samme optik i et system.
Figur 4: Laser-inducerede skadesmekanismer for forskellige pulsvarigheder
Dispersion og pulsforlængelse: Group Delay Dispersion
En af de sværeste tekniske udfordringer, man støder på ved brug af ultrahurtige lasere, er at opretholde varigheden af den ultrakorte puls, som laseren oprindeligt udsender. Ultrahurtige pulser er meget modtagelige for tidsafvigelser, som gør pulsen længere. Denne effekt bliver værre, efterhånden som den indledende pulsvarighed forkortes. Mens ultrahurtige lasere kan udsende pulser med varigheder på 50 sekunder, er det muligt at udvide pulsen i tide ved at bruge spejle og linser til at levere pulsen til målstedet, eller endda bare at sende pulsen gennem luften.
Denne tidsforvrængning kvantificeres ved hjælp af en metrik kaldet group delay dispersion (GDD), også kendt som andenordens dispersion. Faktisk er der også højere ordens spredningsbegreber, der kan påvirke den tidsmæssige fordeling af ultrahurtige laserimpulser, men i praksis er det normalt tilstrækkeligt at undersøge effekten af GDD. GDD er en frekvensafhængig værdi, der skaleres lineært med tykkelsen af et givet materiale. Transmissionsoptik som linse-, vindues- og objektivlinsesamlinger har typisk positive GDD-værdier, hvilket indikerer, at når den først er komprimeret, kan pulsen give transmissionsoptikken en længere pulsvarighed end den puls, der udsendes af lasersystemet. Komponenter med lavere frekvens (dvs. længere bølgelængde) forplanter sig hurtigere end komponenter med højere frekvens (dvs. kortere bølgelængde). Efterhånden som pulsen bevæger sig gennem mere og mere stof, vil bølgelængderne i pulsen fortsætte med at strække sig længere og længere i tiden. For kortere pulsvarigheder og derfor bredere båndbredder er denne effekt yderligere overdrevet og kan føre til betydelig pulstidsforvrængning.
For længere pulser med nanosekund eller endda picosecond pulsvarigheder er GDD ikke et stort problem. For kortere femtosekundimpulser kan selv placering af et 10 mm tykt stykke N-BK7 i strålegangen udvide en 50 fs puls centreret ved 800 nm med mere end 12 %, hvilket nogenlunde svarer til at placere to vinduer eller filtre i strålevej.
Indvirkningen af GDD på en applikation afhænger af flere faktorer, herunder inputpulsvarigheden (τinput), centerfrekvensen (eller bølgelængden) og det materiale, som pulsen forplanter sig igennem.
Ligning (2) viser tydeligt, at for den samme værdi af GDD vil en kortere pulsvarighed udvides mere signifikant end en længere indgangspulsvarighed. Dette er grunden til, at GDD ikke diskuteres i sammenhæng med nanosekund- eller picosekundpulser. For eksempel kan en GDD på kun 20,000 fs2 udvide en 1ps puls med 0,2 %. Eksemplerne i de følgende afsnit viser, at dette svarer til at udbrede en 1030 nm puls til mere end 1 m smeltet silica.
Et materiales brydningsindeks afhænger af frekvensen af lys, der rejser gennem det, og GDD har en lignende afhængighed af brydningsindeks. Når man vælger transmissions- og brydningsoptik til ultrahurtige systemer, anbefales smeltet silica ofte, fordi det har en af de laveste GDD-værdier i de synlige og nær-infrarøde bølgelængdeområder. For eksempel vil udbredelse af en 1030 nm puls gennem 1 mm smeltet silica producere en GDD på ca. 19 fs2, men ved samme bølgelængde vil 1 mm SF11 resultere i en GDD på mere end 125 fs2 refraktive indeksdatabaser, såsom refractivendex .info, er en nyttig ressource til at bestemme, hvilket materiale der er den bedste optik til brug ved valg af strålestier, og din akkumulerede GDD er en nyttig ressource.
På grund af denne tendens med positiv GDD og tidsforvridning, anbefales det stærkt at bruge specialiseret ultrahurtig optik, der producerer lidt eller ingen yderligere GDD, hvilket reducerer muligheden for forlængede pulsvarigheder.
Hvordan ved du, om du har brug for pulskompression?
Hvornår skal du (gen)komprimere en laserpuls? I ultrahurtige billedbehandlingsapplikationer såsom multifotonmikroskopi indikerer slørede billeder, at pulsen kan blive strakt i tid. Ved ultrahurtig laserbehandling kan pulsstrækning føre til reduceret skærenøjagtighed og præcision. Udstrakt pulsvarighed reducerer sandsynligheden for multifoton-interaktioner, hvilket reducerer effektiviteten af det ultrahurtige system. Selvom det ikke er muligt at give strenge og hurtige regler for enhver situation, hjælper følgende eksempelberegninger med at demonstrere nogle bedste praksisser til at bestemme, om der er behov for pulskompression.
Overvej en multifotonmikroskopopsætning med en strålebane som vist i figur 5.
Figur 5: Skematisk eksempel af strålegangen i et multifotonmikroskopi-eksperiment
En førsteordens tilnærmelse af pulsudvidelsen kan opnås ved at summere GDD-bidragene for alle elementer i systemet, før laseren når prøven. Lad os antage, at de vigtigste bidragydere til spredningen er stråleudvideren, de dikroiske filtre og fokuseringsobjektivet. Vi vil ignorere effekten af scanningsspejlene, da de normalt er lavet af metalbelægninger med lav GDD. Hvis pulsen er centreret ved en bølgelængde på 1030 nm, kan systemet nemt tilføje mere end 600 fs2 GDD.
Hvorvidt pulsen i systemet skal komprimeres eller ej, afhænger af inputpulsvarigheden og applikationens specifikke behov. Hvis du starter med en 150fs puls, vil transmissionen gennem optikken have en ubetydelig effekt på pulsvarigheden. Men hvis din applikation kræver en tidsmæssig opløsning, der kun kan opnås med en 10 fs laserpuls, vil denne mængde GDD få din indledende puls til at udvide sig til cirka 167 fs. I dette tilfælde er rekomprimering påkrævet. Disse præcise detaljer er meget afhængige af din særlige strålevej og anvendelse.
Ultrahurtige laserapplikationer
Spektroskopi
Spektroskopi har været et af de vigtigste anvendelsesområder for ultrahurtige laserlyskilder siden deres introduktion. Ved at reducere pulsvarigheder til femtosekunder eller endda attosekunder, er dynamiske processer inden for fysik, kemi og biologi, som historisk set var umulige at observere, nu mulige. En af nøgleprocesserne er atombevægelse, hvis observation har forbedret den videnskabelige forståelse af fundamentale processer såsom molekylær vibration, molekylær dissociation og energioverførsel i fotosyntetiske proteiner.
Biobilleddannelse
Ultrahurtige lasere med høj spidseffekt understøtter ikke-lineære processer og forbedrer opløsning til biobilleddannelse, såsom multifotonmikroskopi (fig. 12). I et multifotonsystem skal to fotoner overlappe i rum og tid for at generere et ikke-lineært signal fra et biologisk medium eller fluorescerende mål. Denne ikke-lineære mekanisme forbedrer billedopløsning ved betydeligt at reducere baggrundsfluorescenssignalet, der plager studier af enkeltfoton-processer. Figur 13 illustrerer denne forenklede signalbaggrund. Det mindre excitationsområde i multifotonmikroskopi forhindrer også fototoksicitet og minimerer skade på prøven.
Figur 6: Multifoton eller ikke-lineær mikroskopi bruger en ultrahurtig laserkilde til at optage tredimensionelle (3D) billeder i høj opløsning med reduceret fotoblegning og fototoksicitet sammenlignet med konventionelle konfokale mikroskopiteknikker.
Figur 7: Signalpositionsvisning af et to-foton to-foton (øverst) og enkelt-foton (bund) mikroskopisystem. Overlapningen produceret af de to fotoner resulterer i et mindre excitationsvolumen, mens enkeltfotonsignalet påvirkes af baggrundssignalet fra uden for brændplanet.
Lasermaterialebehandling
Ultrahurtige laserkilder har også revolutioneret lasermikrobearbejdning og materialebehandling på grund af den unikke måde, hvorpå ultrakorte impulser interagerer med materialer. Som nævnt tidligere, når man diskuterer LDT, er den ultrahurtige pulsvarighed hurtigere end tidsskalaen for termisk diffusion ind i materialets gitter. Ultrahurtige lasere producerer en meget mindre varmepåvirket zone end nanosekunders pulserende lasere, hvilket resulterer i lavere snittab og mere præcis behandling. Dette princip gælder også for medicinske applikationer, hvor den øgede præcision af ultrahurtig laserskæring er med til at minimere skader på omgivende væv og forbedre patientoplevelsen under laserkirurgi.
Attosecond-impulser: fremtiden for ultrahurtige lasere
Efterhånden som forskningen i at fremme ultrahurtige lasere fortsætter, udvikles nye og forbedrede lyskilder med kortere pulsvarighed. For at få indsigt i hurtigere fysiske processer fokuserer mange forskere på generering af attosekundpulser - i det ekstreme ultraviolette (XUV) bølgelængdeområde er attosekundpulser ca. 10-18 sek. Attosecond-impulser tillader sporing af elektronbevægelser og forbedrer vores forståelse af elektronisk struktur og kvantemekanik. Mens integrationen af XUV attosecond-lasere i industrielle processer endnu ikke har vundet betydelig indpas, vil igangværende forskning og fremskridt på området næsten helt sikkert skubbe denne teknologi ud af laboratoriet og ind i fremstillingen, som det har været tilfældet med femtosecond- og picosecond-laserkilder.
