Độc nhấttia laser siêu nhanhphần một
Tính chất độc đáo của siêu nhanhtia laser
Độ rộng xung cực ngắn của laser siêu nhanh mang lại cho các hệ thống này những đặc tính độc đáo, giúp phân biệt chúng với laser xung dài hoặc laser sóng liên tục (CW). Để tạo ra một xung ngắn như vậy, cần có băng thông phổ rộng. Hình dạng xung và bước sóng trung tâm quyết định băng thông tối thiểu cần thiết để tạo ra các xung có độ rộng nhất định. Thông thường, mối quan hệ này được mô tả theo tích thời gian-băng thông (TBP), được suy ra từ nguyên lý bất định. TBP của xung Gauss được tính theo công thức sau: TBPGaussian=ΔτΔν≈0,441
Δτ là độ rộng xung và Δv là băng thông tần số. Về bản chất, phương trình cho thấy có mối quan hệ nghịch đảo giữa băng thông phổ và độ rộng xung, nghĩa là khi độ rộng xung giảm, băng thông cần thiết để tạo xung đó sẽ tăng. Hình 1 minh họa băng thông tối thiểu cần thiết để hỗ trợ nhiều độ rộng xung khác nhau.
Hình 1: Băng thông phổ tối thiểu cần thiết để hỗ trợxung lasercủa 10 ps (xanh lá cây), 500 fs (xanh lam) và 50 fs (đỏ)
Những thách thức kỹ thuật của tia laser siêu nhanh
Băng thông phổ rộng, công suất cực đại và thời gian xung ngắn của laser siêu nhanh phải được quản lý đúng cách trong hệ thống của bạn. Thông thường, một trong những giải pháp đơn giản nhất cho những thách thức này là đầu ra phổ rộng của laser. Nếu trước đây bạn chủ yếu sử dụng laser xung dài hơn hoặc laser sóng liên tục, các linh kiện quang học hiện có của bạn có thể không đủ khả năng phản xạ hoặc truyền tải toàn bộ băng thông của các xung siêu nhanh.
Ngưỡng tổn thương do tia laser
Quang học siêu nhanh cũng có ngưỡng hư hại laser (LDT) khác biệt đáng kể và khó điều hướng hơn so với các nguồn laser thông thường. Khi quang học được cung cấp chotia laser xung nano giâyGiá trị LDT thường nằm trong khoảng 5-10 J/cm2. Đối với quang học siêu nhanh, giá trị ở mức này hầu như chưa từng được biết đến, vì giá trị LDT thường nằm trong khoảng <1 J/cm2, thường gần 0,3 J/cm2. Sự thay đổi đáng kể về biên độ LDT dưới các khoảng thời gian xung khác nhau là kết quả của cơ chế hư hỏng laser dựa trên khoảng thời gian xung. Đối với laser nano giây hoặc dài hơntia laser xung, cơ chế chính gây ra thiệt hại là nhiệt độ nóng lên. Lớp phủ và vật liệu nền củathiết bị quang họchấp thụ các photon chiếu tới và làm nóng chúng. Điều này có thể dẫn đến sự biến dạng mạng tinh thể của vật liệu. Sự giãn nở nhiệt, nứt, nóng chảy và biến dạng mạng là những cơ chế hư hỏng nhiệt phổ biến của các vật liệu này.nguồn laser.
Tuy nhiên, đối với laser siêu nhanh, bản thân thời lượng xung nhanh hơn thang thời gian truyền nhiệt từ laser đến mạng vật liệu, do đó hiệu ứng nhiệt không phải là nguyên nhân chính gây ra hư hỏng do laser gây ra. Thay vào đó, công suất cực đại của laser siêu nhanh biến đổi cơ chế hư hỏng thành các quá trình phi tuyến tính như hấp thụ đa photon và ion hóa. Đây là lý do tại sao không thể chỉ đơn giản thu hẹp xếp hạng LDT của xung nano giây xuống mức của xung siêu nhanh, vì cơ chế vật lý của hư hỏng là khác nhau. Do đó, trong cùng điều kiện sử dụng (ví dụ: bước sóng, thời lượng xung và tốc độ lặp lại), một thiết bị quang học có xếp hạng LDT đủ cao sẽ là thiết bị quang học tốt nhất cho ứng dụng cụ thể của bạn. Quang học được thử nghiệm trong các điều kiện khác nhau không đại diện cho hiệu suất thực tế của cùng một quang học trong hệ thống.
Hình 1: Cơ chế gây tổn thương do tia laser với thời lượng xung khác nhau
Thời gian đăng: 24-06-2024