Độc nhấttia laser cực nhanhphần một
Tính chất độc đáo của siêu nhanhtia laser
Độ dài 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 xung ngắn như vậy, cần có băng thông phổ rộng. Hình dạng xung và bước sóng trung tâm xác định băng thông tối thiểu cần thiết để tạo ra xung có độ dài cụ thể. 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 Gaussian được đưa ra theo công thức sau: TBPGaussian=ΔτΔν≈0.441
Δτ là độ dài 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 dài xung, nghĩa là khi độ dài xung giảm, băng thông cần thiết để tạo xung đó tăng. Hình 1 minh họa băng thông tối thiểu cần thiết để hỗ trợ một số độ dài 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 đỉnh và thời lượng 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, thì kho linh kiện quang học hiện tại của bạn có thể không phản xạ hoặc truyền toàn bộ băng thông của xung siêu nhanh.
Ngưỡng thiệt hại của tia laser
Quang học siêu nhanh cũng có ngưỡng hư hỏng laser (LDT) khác biệt đáng kể và khó điều hướng hơn so với các nguồn laser thông thường hơn. Khi quang học được cung cấp chotia laser xung nano giây, Giá trị LDT thường ở mức 5-10 J/cm2. Đối với quang học siêu nhanh, các giá trị có độ lớn này thực tế là chưa từng nghe đến, vì giá trị LDT có nhiều khả năng ở mức <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 tới và làm nóng chúng. Điều này có thể dẫn đến sự biến dạng của mạng tinh thể vật liệu. Sự giãn nở nhiệt, nứt, nóng chảy và biến dạng mạng là các cơ chế hư hỏng nhiệt phổ biến của nhữngnguồn 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 nhiều photon và ion hóa. Đây là lý do tại sao không thể chỉ đơn giản thu hẹp định mức LDT của xung nano giây xuống định 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 định mức 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