Laser siêu nhanh độc đáo phần hai

Độc nhấtlaser siêu nhanhphần hai

Sự phân tán và lan truyền xung: Sự phân tán trễ nhóm
Một trong những thách thức kỹ thuật khó khăn nhất khi sử dụng laser siêu nhanh là duy trì thời lượng của các xung cực ngắn được phát ra ban đầu.tia laserCác xung siêu nhanh rất dễ bị biến dạng thời gian, khiến các xung trở nên dài hơn. Hiệu ứng này càng trở nên tồi tệ hơn khi thời lượng của xung ban đầu ngắn lại. Mặc dù laser siêu nhanh có thể phát ra các xung có thời lượng 50 giây, nhưng 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 cần truyền xung qua không khí.

Sự biến dạng thời gian này được định lượng bằng một thước đo gọi là tán sắc trễ nhóm (GDD), hay còn gọi là tán sắc bậc hai. Trên thực tế, cũng có các số hạng tán sắc bậc cao hơn có thể ảnh hưởng đến sự phân bố thời gian của các xung laser siêu xa, nhưng trong thực tế, thường chỉ cần kiểm tra ảnh hưởng của GDD là đủ. GDD là một giá trị phụ thuộc vào tần số, tỷ lệ thuận tuyến tính với độ dày của vật liệu nhất định. Các thành phần quang học truyền dẫn như thấu kính, cửa sổ và thấu kính mục tiêu thường có giá trị GDD dương, điều này cho thấy rằng các xung đã được nén có thể tạo ra cho hệ thống quang học truyền dẫn thời lượng xung dài hơn so với các xung được phát ra từ...hệ thống laserCác 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 theo thời gian. Đối với thời lượng xung ngắn hơn, và do đó băng thông rộng hơn, hiệu ứng này càng được khuếch đại và có thể dẫn đến sự biến dạng thời gian xung đáng kể.

Ứng dụng laser siêu nhanh
quang phổ
Kể từ khi xuất hiện các 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 femtogiây hoặc thậm chí attogiây, các quá trình động trong vật lý, hóa học và sinh học mà trước đây không thể quan sát được giờ đây có thể thực hiện được. Một trong những quá trình quan trọng là chuyển động nguyên tử, và việc quan sát chuyển động nguyên tử đã cải thiện sự hiểu biết khoa học về các quá trình cơ bản như dao động phân tử, phân ly phân tử và truyền năng lượng trong protein quang hợp.

hình ảnh sinh học
Các laser siêu nhanh công suất đỉnh hỗ trợ các quá 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 chéo trong không gian và thời gian. Cơ chế phi tuyến tính này cải thiện độ phân giải hình ảnh bằng cách giảm đáng kể tín hiệu huỳnh quang nền gây khó khăn cho các nghiên cứu về quá trình đơn photon. Hình minh họa đơn giản về tín hiệu nền được thể hiện. Vùng kích thích nhỏ hơn của kính hiển vi đa photon cũng ngăn ngừa độc tính quang học và giảm thiểu hư hại cho mẫu vật.

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

Xử lý vật liệu bằng laser
Các nguồn laser siêu nhanh cũng đã tạo ra cuộc cách mạng trong gia công vi mô bằng laser và xử lý vật liệu nhờ vào cách thức tương tác độc đáo của các xung cực ngắn với vật liệu. Như đã đề cập trước đó, khi thảo luận về LDT, thời lượng xung siêu nhanh nhanh hơn thang thời gian khuếch tán nhiệt vào mạng tinh thể của vật liệu. Laser siêu nhanh tạo ra vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ hơn nhiều so với các loại laser khác.laser xung nano giâyĐiều này dẫn đến giảm thiểu tổn thất vết cắt và gia công chính xác hơn. Nguyên tắc này cũng có thể áp dụng trong các ứng dụng y tế, nơi độ chính xác cao hơn của việc cắt bằng laser siêu xa giúp giảm thiểu tổn thương mô xung quanh và cải thiện trải nghiệm của bệnh nhân trong quá trình phẫu thuật laser.

Xung atto giây: tương lai của laser siêu nhanh
Khi nghiên cứu tiếp tục phát triển các laser siêu nhanh, các nguồn sáng mới và cải tiến với thời lượng xung ngắn hơn đang được phát triển. Để hiểu rõ 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 dải 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 vào sản xuất, giống như trường hợp của laser femto giây và pico giây.nguồn laser.