Natatanging ultrafast laser part two

Natatanginapakabilis na laserikalawang bahagi

Pagpapakalat at pagkalat ng pulso: Pagdisperasyon ng pagkaantala ng grupo
Ang isa sa pinakamahirap na teknikal na hamon na nararanasan kapag gumagamit ng ultrafast lasers ay ang pagpapanatili ng tagal ng mga ultra-maikling pulso na unang inilabas nglaser. Ang mga ultrafast na pulso ay lubhang madaling kapitan sa pagbaluktot ng oras, na nagpapahaba ng mga pulso. Lumalala ang epektong ito habang umiikli ang tagal ng unang pulso. Habang ang mga ultrafast laser ay maaaring maglabas ng mga pulso na may tagal na 50 segundo, maaari silang palakasin sa oras sa pamamagitan ng paggamit ng mga salamin at lente upang ipadala ang pulso sa target na lokasyon, o kahit na ipadala lamang ang pulso sa pamamagitan ng hangin.

Ang pagbaluktot sa oras na ito ay binibilang gamit ang isang panukalang tinatawag na group delayed dispersion (GDD), na kilala rin bilang second-order dispersion. Sa katunayan, mayroon ding mga termino ng pagpapakalat ng mas mataas na pagkakasunud-sunod na maaaring makaapekto sa pamamahagi ng oras ng mga ultrafart-laser pulse, ngunit sa pagsasagawa, kadalasan ay sapat lamang na suriin ang epekto ng GDD. Ang GDD ay isang value na umaasa sa dalas na linearly proporsyonal sa kapal ng isang partikular na materyal. Ang mga transmission optic tulad ng lens, window, at mga object na layunin ay karaniwang may mga positibong halaga ng GDD, na nagpapahiwatig na kapag ang mga naka-compress na pulso ay maaaring magbigay sa transmission optics ng mas mahabang tagal ng pulso kaysa sa ibinubuga ngmga sistema ng laser. Ang mga bahagi na may mas mababang frequency (ibig sabihin, mas mahahabang wavelength) ay dumarami nang mas mabilis kaysa sa mga bahaging may mas mataas na frequency (ibig sabihin, mas maiikling wavelength). Habang ang pulso ay dumadaan sa mas maraming bagay, ang haba ng daluyong sa pulso ay patuloy na lalawak nang higit pa at higit pa sa oras. Para sa mas maiikling tagal ng pulso, at samakatuwid ay mas malawak na mga bandwidth, ang epektong ito ay higit na pinalalaki at maaaring magresulta sa makabuluhang pagbaluktot sa oras ng pulso.

Mga ultrafast na laser application
spectroscopy
Dahil ang pagdating ng ultrafast laser sources, spectroscopy ay isa sa kanilang mga pangunahing lugar ng aplikasyon. Sa pamamagitan ng pagbabawas ng tagal ng pulso sa mga femtosecond o kahit attosecond, ang mga dinamikong proseso sa physics, chemistry at biology na dating imposibleng obserbahan ay maaari na ngayong makamit. Ang isa sa mga pangunahing proseso ay atomic motion, at ang pagmamasid sa atomic motion ay nagpabuti ng siyentipikong pag-unawa sa mga pangunahing proseso tulad ng molecular vibration, molecular dissociation at energy transfer sa photosynthetic proteins.

bioimaging
Sinusuportahan ng mga peak-power ultrafast laser ang mga nonlinear na proseso at pinapahusay ang resolution para sa biological imaging, tulad ng multi-photon microscopy. Sa isang multi-photon system, upang makabuo ng isang nonlinear na signal mula sa isang biological medium o fluorescent na target, dalawang photon ang dapat mag-overlap sa espasyo at oras. Pinapabuti ng nonlinear na mekanismong ito ang resolution ng imaging sa pamamagitan ng makabuluhang pagbabawas ng mga signal ng fluorescence sa background na sumasalot sa mga pag-aaral ng mga prosesong single-photon. Inilalarawan ang pinasimpleng background ng signal. Ang mas maliit na rehiyon ng paggulo ng multiphoton microscope ay pinipigilan din ang phototoxicity at pinapaliit ang pinsala sa sample.

Figure 1: Isang halimbawang diagram ng isang beam path sa isang multi-photon microscope experiment

Pagproseso ng materyal ng laser
Ang mga ultrafast na pinagmumulan ng laser ay nagbago rin ng laser micromachining at pagpoproseso ng materyal dahil sa natatanging paraan na nakikipag-ugnayan ang mga ultrashort pulse sa mga materyales. Tulad ng nabanggit kanina, kapag tinatalakay ang LDT, ang ultrafast pulse duration ay mas mabilis kaysa sa time scale ng heat diffusion sa sala-sala ng materyal. Ang mga ultrafast laser ay gumagawa ng mas maliit na lugar na apektado ng init kaysananosecond pulsed lasers, na nagreresulta sa mas mababang pagkalugi sa paghiwa at mas tumpak na machining. Ang prinsipyong ito ay naaangkop din sa mga medikal na aplikasyon, kung saan ang mas mataas na katumpakan ng ultrafart-laser cutting ay nakakatulong na mabawasan ang pinsala sa nakapaligid na tissue at mapabuti ang karanasan ng pasyente sa panahon ng laser surgery.

Attosecond pulses: ang hinaharap ng ultrafast lasers
Habang ang pananaliksik ay patuloy na nagsusulong ng mga ultrafast laser, ang mga bago at pinahusay na pinagmumulan ng liwanag na may mas maikling tagal ng pulso ay ginagawa. Upang makakuha ng insight sa mas mabilis na mga pisikal na proseso, maraming mananaliksik ang tumutuon sa pagbuo ng attosecond pulses - mga 10-18 s sa matinding ultraviolet (XUV) wavelength range. Binibigyang-daan ng mga attosecond pulse ang pagsubaybay sa paggalaw ng elektron at pagbutihin ang aming pag-unawa sa istrukturang elektroniko at quantum mechanics. Habang ang pagsasama ng XUV attosecond laser sa mga prosesong pang-industriya ay hindi pa nakakagawa ng makabuluhang pag-unlad, ang patuloy na pananaliksik at mga pagsulong sa larangan ay halos tiyak na itulak ang teknolohiyang ito palabas ng lab at sa pagmamanupaktura, tulad ng nangyari sa femtosecond at picosecondmga mapagkukunan ng laser.