Laser siêu nhanh độc đáo phần hai

Độc nhấttia laser cực nhanhphần hai

Phân tán và lan truyền xung: Phân tán trễ nhóm
Một trong những thách thức kỹ thuật khó khăn nhất gặp phải khi sử dụng tia laser siêu nhanh là duy trì thời lượng của các xung cực ngắn ban đầu được phát ra bởitia laze. Các xung cực nhanh rất dễ bị biến dạng thời gian, khiến các xung dài hơn. Hiệu ứng này trở nên tệ hơn khi thời lượng của xung ban đầu ngắn lại. Trong khi các tia laser cực nhanh có thể phát ra các xung có thời lượng 50 giây, chúng có thể được khuếch đại theo thời gian bằng cách sử dụng gương và thấu kính để truyền xung đến vị trí mục tiêu hoặc thậm chí chỉ truyền xung qua không khí.

Biến dạng thời gian này được định lượng bằng một phép đo gọi là phân tán trễ nhóm (GDD), còn được gọi là phân tán bậc hai. Trên thực tế, cũng có các điều khoản phân tán bậc cao hơn có thể ảnh hưởng đến phân phối thời gian của các xung laser cực xa, nhưng trên thực tế, thường chỉ cần kiểm tra hiệu ứng của GDD là đủ. GDD là giá trị phụ thuộc vào tần số, tỷ lệ tuyến tính với độ dày của một vật liệu nhất định. Quang học truyền dẫn như thấu kính, cửa sổ và các thành phần vật kính thường có giá trị GDD dương, điều này chỉ ra rằng các xung sau khi nén có thể cung cấp cho quang học truyền dẫn thời lượng xung dài hơn so với các xung phát ra bởihệ thống laser. Các thành phần có tần số thấp hơn (tức là bước sóng dài hơn) lan truyền nhanh hơn các thành phần có tần số cao hơn (tức là bước sóng ngắn hơn). Khi xung đi qua ngày càng nhiều vật chất, bước sóng trong xung sẽ tiếp tục kéo dài hơn nữa theo thời gian. Đối với thời lượng xung ngắn hơn và do đó băng thông rộng hơn, hiệu ứng này được phóng đại hơn nữa và có thể dẫn đến méo thời gian xung đáng kể.

Ứng dụng laser cực nhanh
quang phổ
Từ khi xuất hiện nguồn laser siêu nhanh, quang phổ học đã trở thành một trong những lĩnh vực ứng dụng chính của chúng. Bằng cách giảm thời lượng xung xuống còn femto giây hoặc thậm chí là atto giây, các quá trình động trong vật lý, hóa học và sinh học mà trước đây không thể quan sát được giờ đây có thể đạt được. Một trong những quá trình chính là chuyển động nguyên tử, và việc quan sát chuyển động nguyên tử đã cải thiện hiểu biết khoa học về các quá trình cơ bản như rung động phân tử, phân ly phân tử và truyền năng lượng trong protein quang hợp.

hình ảnh sinh học
Laser siêu nhanh công suất đỉnh hỗ trợ các quy trình phi tuyến tính và cải thiện độ phân giải cho hình ảnh sinh học, chẳng hạn như kính hiển vi đa photon. Trong hệ thống đa photon, để tạo ra tín hiệu phi tuyến tính từ môi trường sinh học hoặc mục tiêu huỳnh quang, hai photon phải chồng lên nhau trong không gian và thời gian. Cơ chế phi tuyến tính này cải thiện độ phân giải hình ảnh bằng cách giảm đáng kể các tín hiệu huỳnh quang nền gây ảnh hưởng đến các nghiên cứu về quy trình đơn photon. Nền tín hiệu được đơn giản hóa được minh họa. Vùng kích thích nhỏ hơn của kính hiển vi đa photon cũng ngăn ngừa độc tính với ánh sáng và giảm thiểu thiệt hại cho mẫu.

Hình 1: Một sơ đồ ví dụ về đường đi của chùm tia trong thí nghiệm kính hiển vi đa photon

Gia công vật liệu bằng laser
Các nguồn laser cực nhanh cũng đã cách mạng hóa việc gia công vi mô bằng laser và xử lý vật liệu do cách độc đáo mà các xung cực ngắn tương tác với vật liệu. Như đã đề cập trước đó, khi thảo luận về LDT, thời lượng xung cực nhanh nhanh hơn thang thời gian khuếch tán nhiệt vào mạng tinh thể của vật liệu. Laser cực nhanh tạo ra vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ hơn nhiều so vớitia laser xung nano giây, dẫn đến tổn thất vết rạch thấp hơn và gia công chính xác hơn. Nguyên lý này cũng áp dụng cho các ứng dụng y tế, trong đó độ chính xác tăng lên của cắt laser cực xa giúp giảm tổn thương cho mô xung quanh và cải thiện trải nghiệm của bệnh nhân trong quá trình phẫu thuật bằng laser.

Xung atto giây: tương lai của tia laser siêu nhanh
Khi nghiên cứu tiếp tục phát triển laser siêu nhanh, các nguồn sáng mới và cải tiến với thời lượng xung ngắn hơn đang được phát triển. Để hiểu sâu hơn về các quá trình vật lý nhanh hơn, nhiều nhà nghiên cứu đang tập trung vào việc tạo ra các xung atto giây - khoảng 10-18 giây trong phạm vi bước sóng cực tím (XUV). Các xung atto giây cho phép theo dõi chuyển động của electron và cải thiện sự hiểu biết của chúng ta về cấu trúc điện tử và cơ học lượng tử. Mặc dù việc tích hợp laser atto giây XUV vào các quy trình công nghiệp vẫn chưa đạt được tiến bộ đáng kể, nhưng các nghiên cứu và tiến bộ đang diễn ra trong lĩnh vực này gần như chắc chắn sẽ đưa công nghệ này ra khỏi phòng thí nghiệm và đưa vào sản xuất, như trường hợp của femto giây và pico giâynguồn laser.