Уникални характеристики на ултрабързите лазери
Свръхкъсата продължителност на импулса на ултрабързите лазери дава на тези системи уникални характеристики, които ги отличават от лазерите с дълги импулси или непрекъснати вълни (CW). За да се генерират такива къси импулси, е необходима широка спектрална честотна лента. Формата на импулса и централната дължина на вълната определят минималната честотна лента, необходима за генериране на импулс с определена продължителност. Обикновено това съотношение се описва от произведението на времевата честотна лента (TBP), което се извлича от принципа на неопределеността. TBP на разпределен импулс по Гаус се дава от.
TBPGaussian{{0}}ΔτΔν≈0,441
Δτ е продължителността на импулса, а Δv е честотната лента. По същество уравнението показва, че има обратна връзка между спектралната честотна лента и продължителността на импулса, което означава, че с намаляването на продължителността на импулса, честотната лента, необходима за генериране на този импулс, се увеличава. Фигура 1 илюстрира минималната честотна лента, необходима за поддържане на няколко различни продължителности на импулса.
Фигура 1: Минимална спектрална честотна лента, необходима за поддържане на лазерни импулси от 10 ps (зелен), 500 fs (син) и 50 fs (червен)
Фигура 2: Описание на средната мощност Pavg и пиковата мощност Ppeak за лазер с продължителност на импулса t
Технически предизвикателства на свръхбързите лазери
Широката спектрална честотна лента, високата пикова мощност и кратката продължителност на импулса на свръхбързите лазери трябва да се управляват правилно във вашата система. Често едно от най-лесните за справяне предизвикателства е широкоспектърният изход на лазера. Ако в миналото сте използвали основно лазери с по-дълги импулси или непрекъснати вълни, съществуващият ви инвентар от оптика може да не е в състояние да отразява или предава пълната честотна лента на свръхбързи импулси.
Праг на лазерно увреждане
Свръхбързата оптика също така има значително различен и по-труден за навигиране праг на увреждане на лазера (LDT) от по-традиционните лазерни източници (Фигура 3). Когато се предоставя оптика за наносекундни импулсни лазери, стойностите на LDT обикновено са от порядъка на 5-10 J/cm2. За свръхбърза оптика стойности от тази величина са практически нечувани, тъй като стойностите на LDT е по-вероятно да бъдат от порядъка на<1 J/cm2, usually closer to 0.3 J/cm2.
Значителната вариация в амплитудата на LDT за различна продължителност на импулса е следствие от механизма на лазерно увреждане, базиран на продължителността на импулса. За наносекундни лазери или лазери с по-дълъг импулс основният механизъм, водещ до повреда, е термичното нагряване. Материалите на покритието и субстрата на оптиката абсорбират падащите фотони и се нагряват. Това може да доведе до изкривяване на решетката на материала. Ефекти като термично разширение, напукване, топене и деформация на решетката са общи механизми за термично увреждане за тези видове лазерни източници.
Фигура 3: Лазерно увреждане на оптични повърхности, както е показано тук, може да влоши работата на лазерна система, правейки я безполезна или дори опасна. Поради кратката продължителност на импулса, механизмите на увреждане при използване на свръхбързи лазери са значително различни от тези при използване на лазери с по-дълъг импулс.
При свръхбързите лазери обаче самата продължителност на импулса е по-бърза от времевата скала на пренос на топлина от лазера към решетката на материала и следователно топлинните ефекти не са основната причина за увреждане, предизвикано от лазер (Фигура 4). Вместо това пиковата мощност на ултрабързия лазер трансформира механизма на увреждане в нелинейни процеси като многофотонна абсорбция и йонизация. Ето защо не е възможно просто да се намали LDT оценката на наносекунден импулс до този на ултрабърз импулс, тъй като физическите механизми на увреждане са различни. Следователно, при същите условия на употреба (напр. дължина на вълната, продължителност на импулса и честота на повторение), оптика с достатъчно висок LDT рейтинг ще бъде най-добрата оптика за вашето конкретно приложение. Оптика, тествана при различни условия, не е представителна за действителната производителност на същата оптика в дадена система.
Фигура 4: Механизми за увреждане, причинени от лазер за различна продължителност на импулса
Дисперсия и разширение на импулса: Дисперсия на груповото забавяне
Едно от най-трудните технически предизвикателства, срещани при използването на свръхбързи лазери, е поддържането на продължителността на ултракъсия импулс, първоначално излъчен от лазера. Свръхбързите импулси са много податливи на времеви аберации, които правят импулса по-дълъг. Този ефект се влошава, когато първоначалната продължителност на импулса се съкрати. Въпреки че свръхбързите лазери могат да излъчват импулси с продължителност от 50 секунди, възможно е импулсът да се разшири във времето, като се използват огледала и лещи, за да се достави импулсът до целевото място или дори само да се предаде импулсът във въздуха.
Това изкривяване на времето се определя количествено с помощта на метрика, наречена дисперсия на групово забавяне (GDD), известна също като дисперсия от втори ред. Всъщност има и дисперсионни членове от по-висок порядък, които могат да повлияят на разпределението във времето на свръхбързите лазерни импулси, но на практика обикновено е достатъчно да се изследва ефектът на GDD. GDD е стойност, зависима от честотата, която се мащабира линейно с дебелината на даден материал. Предавателната оптика като комплекти от лещи, прозорци и обективи обикновено имат положителни GDD стойности, което показва, че веднъж компресиран импулсът може да даде на предавателната оптика по-голяма продължителност на импулса от импулса, излъчван от лазерната система. Компонентите с по-ниска честота (т.е. с по-голяма дължина на вълната) се разпространяват по-бързо от компонентите с по-висока честота (т.е. с по-къса дължина на вълната). Тъй като импулсът преминава през все повече и повече материя, дължините на вълните в импулса ще продължат да се простират все по-далеч във времето. За по-кратка продължителност на импулса и следователно по-широки ленти, този ефект е допълнително преувеличен и може да доведе до значително изкривяване на времето на импулса.
За по-дълги импулси с наносекунда или дори пикосекундна продължителност на импулса, GDD не е основен проблем. Въпреки това, за по-къси фемтосекундни импулси, дори поставянето на парче N-BK7 с дебелина 10 mm в пътя на лъча може да разшири импулс от 50 fs, центриран на 800 nm, с повече от 12%, което е приблизително еквивалентно на поставянето на два прозореца или филтъра в път на лъча.
Въздействието на GDD върху приложението зависи от няколко фактора, включително продължителността на входния импулс (τinput), централната честота (или дължина на вълната) и материала, през който се разпространява импулсът.
Уравнение (2) ясно показва, че за една и съща стойност на GDD по-кратката продължителност на импулса ще се разшири по-значително от по-дългата продължителност на входния импулс. Ето защо GDD не се обсъжда в контекста на наносекундни или пикосекундни импулси. Например, GDD от само 20,000 fs2 може да разшири импулс от 1ps с 0,2%. Примерите в следващите параграфи показват, че това е еквивалентно на разпространение на импулс от 1030 nm в повече от 1 m разтопен силициев диоксид.
Коефициентът на пречупване на даден материал зависи от честотата на светлината, преминаваща през него, а GDD има подобна зависимост от индекса на пречупване. При избора на оптика за предаване и пречупване за свръхбързи системи често се препоръчва разтопен силициев диоксид, тъй като има една от най-ниските стойности на GDD във видимия и близкия инфрачервен диапазон на дължина на вълната. Например, разпространяването на импулс от 1030 nm през 1 mm стопен силициев диоксид ще произведе GDD от около 19 fs2, но при същата дължина на вълната 1 mm SF11 ще доведе до GDD от повече от 125 fs2 Бази данни за индекс на пречупване, като refractivendex .info са полезен ресурс за определяне кой материал е най-добрата оптика за използване при избор на пътеки на лъча, а натрупаният ви GDD е полезен ресурс.
Поради тази тенденция на положителен GDD и изкривяване на времето, силно се препоръчва използването на специализирана ултрабърза оптика, която произвежда малко или никаква допълнителна GDD, като по този начин намалява възможността за удължени продължителности на импулса.
Как да разберете дали имате нужда от компресия на импулса?
Кога трябва да (ре)компресирате лазерен импулс? При ултрабързи приложения за изобразяване, като многофотонна микроскопия, замъглените изображения показват, че импулсът може да е разтегнат във времето. При свръхбърза лазерна обработка разтягането на импулса може да доведе до намалена точност и прецизност на рязане. Удължената продължителност на импулса намалява вероятността от многофотонни взаимодействия, което намалява ефективността на свръхбързата система. Въпреки че не е възможно да се осигурят строги и бързи правила за всяка ситуация, следните примерни изчисления помагат да се демонстрират някои най-добри практики за определяне дали е необходима компресия на импулса.
Помислете за настройка на многофотонен микроскоп с път на лъча, както е показано на фигура 5.
Фигура 5: Примерна схема на пътя на лъча в експеримент с многофотонна микроскопия
Приближение от първи ред на разширението на импулса може да се получи чрез сумиране на приноса на GDD на всички елементи в системата, преди лазерът да достигне пробата. Нека приемем, че основният принос за дисперсията са разширителят на лъча, дихроичните филтри и фокусиращият обектив. Ще пренебрегнем ефекта на сканиращите огледала, тъй като те обикновено са направени от метални покрития с нисък GDD. Ако импулсът е центриран при дължина на вълната 1030 nm, системата може лесно да добави повече от 600 fs2 GDD.
Дали импулсът в системата трябва да бъде компресиран зависи от продължителността на входния импулс и специфичните нужди на приложението. Ако започнете с импулс от 150 fs, предаването през оптиката ще има незначителен ефект върху продължителността на импулса. Въпреки това, ако вашето приложение изисква времева разделителна способност, която може да бъде постигната само с лазерен импулс от 10 fs, тогава това количество GDD ще доведе до разширяване на първоначалния ви импулс до приблизително 167 fs. В този случай е необходима повторна компресия. Тези точни подробности зависят силно от вашия конкретен път на лъча и приложение.
Свръхбързи лазерни приложения
Спектроскопия
Спектроскопията е една от основните области на приложение на свръхбързите лазерни светлинни източници от тяхното въвеждане. Чрез намаляване на продължителността на импулса до фемтосекунди или дори атосекунди, сега са възможни динамични процеси във физиката, химията и биологията, които в миналото са били невъзможни за наблюдение. Един от ключовите процеси е движението на атома, чието наблюдение е подобрило научното разбиране на фундаментални процеси като молекулярна вибрация, молекулярна дисоциация и трансфер на енергия във фотосинтетичните протеини.
Биоизобразяване
Свръхбързите лазери с висока пикова мощност поддържат нелинейни процеси и подобряват разделителната способност за биоизобразяване, като многофотонна микроскопия (фиг. 12). В многофотонна система два фотона трябва да се припокриват в пространството и времето, за да генерират нелинеен сигнал от биологична среда или флуоресцентна цел. Този нелинеен механизъм подобрява разделителната способност на изображенията чрез значително намаляване на фоновия флуоресцентен сигнал, който тормози изследванията на еднофотонни процеси. Фигура 13 илюстрира този опростен сигнален фон. По-малката област на възбуждане на многофотонната микроскопия също предотвратява фототоксичността и минимизира увреждането на пробата.
Фигура 6: Мултифотонната или нелинейна микроскопия използва ултрабърз лазерен източник за заснемане на триизмерни (3D) изображения с висока разделителна способност с намалено фотоизбелване и фототоксичност в сравнение с конвенционалните техники за конфокална микроскопия.
Фигура 7: Изображение на позицията на сигнала на двуфотонна двуфотонна (отгоре) и еднофотонна (отдолу) микроскопска система. Припокриването, произведено от двата фотона, води до по-малък обем на възбуждане, докато сигналът от един фотон се влияе от фоновия сигнал извън фокалната равнина.
Лазерна обработка на материали
Свръхбързите лазерни източници също направиха революция в лазерната микрообработка и обработка на материали поради уникалния начин, по който ултракъсите импулси взаимодействат с материалите. Както бе споменато по-рано, когато се обсъжда LDT, ултрабързата продължителност на импулса е по-бърза от времевата скала на топлинна дифузия в решетката на материала. Свръхбързите лазери произвеждат много по-малка зона, засегната от топлината, отколкото наносекундните импулсни лазери, което води до по-ниска загуба на прорез и по-прецизна обработка. Този принцип се прилага и за медицински приложения, където повишената прецизност на ултрабързото лазерно рязане помага да се сведе до минимум увреждането на околната тъкан и да се подобри преживяването на пациента по време на лазерна хирургия.
Атосекундни импулси: бъдещето на свръхбързите лазери
Тъй като изследванията за усъвършенстване на свръхбързите лазери продължават, се разработват нови и подобрени източници на светлина с по-кратка продължителност на импулса. За да получат представа за по-бързите физически процеси, много изследователи се фокусират върху генерирането на атосекундни импулси - в екстремния ултравиолетов (XUV) диапазон на дължина на вълната атосекундните импулси са около 10-18 s. Атосекундните импулси позволяват проследяването на движението на електроните и подобряват нашето разбиране за електронната структура и квантовата механика. Въпреки че интегрирането на XUV атосекундни лазери в промишлени процеси все още не е придобило значителна сила, текущите изследвания и напредък в областта почти сигурно ще изтласкат тази технология от лабораторията и в производството, какъвто е случаят с фемтосекундните и пикосекундните лазерни източници.
