Unieke kenmerken van ultrasnelle lasers
De ultrakorte pulsduur van ultrasnelle lasers geeft deze systemen unieke kenmerken die ze onderscheiden van lasers met lange puls of continue golf (CW). Om zulke korte pulsen te genereren is een grote spectrale bandbreedte nodig. De pulsvorm en de middengolflengte bepalen de minimale bandbreedte die nodig is om een puls van een bepaalde duur te produceren. Meestal wordt deze relatie beschreven door het tijdbandbreedteproduct (TBP), dat is afgeleid van het onzekerheidsprincipe. De TBP van een Gauss-gedistribueerde puls wordt gegeven door.
TBPGaussisch{{0}}ΔτΔν≈0,441
Δτ is de pulsduur en Δv is de frequentiebandbreedte. In wezen laat de vergelijking zien dat er een omgekeerde relatie bestaat tussen de spectrale bandbreedte en de pulsduur, wat betekent dat naarmate de pulsduur afneemt, de bandbreedte die nodig is om die puls te genereren toeneemt. Figuur 1 illustreert de minimale bandbreedte die nodig is om verschillende pulsduur te ondersteunen.
Figuur 1: Minimale spectrale bandbreedte vereist om laserpulsen van 10 ps (groen), 500 fs (blauw) en 50 fs (rood) te ondersteunen
Figuur 2: Weergave van gemiddeld vermogen Pavg en piekvermogen Ppeak voor een laser met pulsduur t
Technische uitdagingen van ultrasnelle lasers
De grote spectrale bandbreedte, het hoge piekvermogen en de korte pulsduur van ultrasnelle lasers moeten in uw systeem goed worden beheerd. Een van de gemakkelijkst aan te pakken uitdagingen is vaak de breedspectrumuitvoer van de laser. Als u in het verleden voornamelijk lasers met langere pulsen of continue golven hebt gebruikt, is uw bestaande inventaris van optica mogelijk niet in staat om de volledige bandbreedte van ultrasnelle pulsen te reflecteren of uit te zenden.
Laserschadedrempel
Ultrasnelle optica hebben ook een aanzienlijk andere en moeilijker te navigeren laserschadedrempel (LDT) dan meer traditionele laserbronnen (Figuur 3). Bij het leveren van optica voor gepulseerde lasers van nanoseconden liggen de LDT-waarden doorgaans in de orde van grootte van 5-10 J/cm2. Voor ultrasnelle optica zijn waarden van deze omvang praktisch ongehoord, omdat de LDT-waarden waarschijnlijker in de orde van grootte liggen.<1 J/cm2, usually closer to 0.3 J/cm2.
De significante variatie in LDT-amplitude voor verschillende pulsduur is een gevolg van het laserschademechanisme op basis van de pulsduur. Voor lasers van nanoseconden of lasers met langere pulsen is thermische verwarming het belangrijkste mechanisme dat tot schade leidt. De coating- en substraatmaterialen van de optiek absorberen de invallende fotonen en worden warm. Dit kan leiden tot vervorming van het materiaalrooster. Effecten zoals thermische uitzetting, barsten, smelten en roosterspanning zijn veel voorkomende thermische schademechanismen voor dit soort laserbronnen.
Figuur 3: Laserschade aan optische oppervlakken, zoals hier weergegeven, kan de prestaties van een lasersysteem verslechteren, waardoor het onbruikbaar of zelfs gevaarlijk wordt. Door de korte pulsduur zijn de schademechanismen bij het gebruik van ultrasnelle lasers aanzienlijk verschillend van die bij het gebruik van lasers met langere puls.
Bij ultrasnelle lasers is de pulsduur zelf echter sneller dan de tijdschaal van warmteoverdracht van de laser naar het materiaalrooster, en daarom zijn thermische effecten niet de primaire oorzaak van door laser veroorzaakte schade (Figuur 4). In plaats daarvan transformeert het piekvermogen van de ultrasnelle laser het schademechanisme in niet-lineaire processen zoals multifotonabsorptie en ionisatie. Dit is de reden waarom het niet mogelijk is om de LDT-waarde van een nanosecondepuls eenvoudigweg te verlagen naar die van een ultrasnelle puls, omdat de fysieke mechanismen van schade anders zijn. Daarom zal onder dezelfde gebruiksomstandigheden (bijvoorbeeld golflengte, pulsduur en herhalingsfrequentie) een optiek met een voldoende hoge LDT-waarde de beste optiek zijn voor uw specifieke toepassing. Optica die onder verschillende omstandigheden zijn getest, zijn niet representatief voor de daadwerkelijke prestaties van dezelfde optica in een systeem.
Figuur 4: Lasergeïnduceerde schademechanismen voor verschillende pulsduur
Dispersie en pulsuitbreiding: Groepsvertragingsspreiding
Een van de moeilijkste technische uitdagingen bij het gebruik van ultrasnelle lasers is het handhaven van de duur van de ultrakorte puls die aanvankelijk door de laser wordt uitgezonden. Ultrasnelle pulsen zijn zeer gevoelig voor tijdafwijkingen, waardoor de puls langer wordt. Dit effect wordt erger naarmate de initiële pulsduur korter wordt. Terwijl ultrasnelle lasers pulsen kunnen uitzenden met een duur van 50 seconden, is het mogelijk om de puls in de tijd uit te breiden door spiegels en lenzen te gebruiken om de puls op de doellocatie af te leveren, of zelfs door de puls gewoon door de lucht te zenden.
Deze tijdvervorming wordt gekwantificeerd met behulp van een metriek die groepsvertragingsdispersie (GDD) wordt genoemd, ook bekend als tweede-orde-dispersie. In feite zijn er ook dispersietermen van hogere orde die de temporele verdeling van ultrasnelle laserpulsen kunnen beïnvloeden, maar in de praktijk is het meestal voldoende om het effect van GDD te onderzoeken. GDD is een frequentieafhankelijke waarde die lineair schaalt met de dikte van een bepaald materiaal. Transmissie-optica zoals lens-, venster- en objectieflenssamenstellen hebben doorgaans positieve GDD-waarden, wat aangeeft dat de transmissie-optiek, eenmaal gecomprimeerd, een langere pulsduur kan geven dan de puls die door het lasersysteem wordt uitgezonden. Componenten met een lagere frequentie (dwz langere golflengte) planten zich sneller voort dan componenten met een hogere frequentie (dwz kortere golflengte). Naarmate de puls door steeds meer materie reist, zullen de golflengten in de puls zich steeds verder in de tijd uitbreiden. Voor kortere pulsduur, en dus bredere bandbreedtes, wordt dit effect nog verder versterkt en kan dit tot aanzienlijke pulstijdvervorming leiden.
Voor langere pulsen met een pulsduur van nanoseconden of zelfs picoseconden is GDD geen groot probleem. Voor kortere femtosecondepulsen kan zelfs het plaatsen van een 10 mm dik stuk N-BK7 in het straalpad een puls van 50 fs gecentreerd op 800 nm met meer dan 12% verbreden, wat ongeveer gelijk is aan het plaatsen van twee vensters of filters in de bundel. straal pad.
De impact van GDD op een toepassing hangt af van verschillende factoren, waaronder de duur van de ingangspuls (τinput), de middenfrequentie (of golflengte) en het materiaal waardoor de puls zich voortplant.
Vergelijking (2) laat duidelijk zien dat voor dezelfde waarde van GDD een kortere pulsduur aanzienlijk groter zal zijn dan een langere ingangspulsduur. Dit is de reden waarom GDD niet wordt besproken in de context van nanoseconde- of picosecondepulsen. Een GDD van slechts 20,000 fs2 kan bijvoorbeeld een puls van 1 ps met 0,2% verbreden. De voorbeelden in de volgende paragrafen laten zien dat dit equivalent is aan het voortplanten van een puls van 1030 nm in meer dan 1 m gesmolten silica.
De brekingsindex van een materiaal hangt af van de frequentie van het licht dat er doorheen reist, en GDD heeft een soortgelijke afhankelijkheid van de brekingsindex. Bij het selecteren van transmissie- en brekingsoptiek voor ultrasnelle systemen wordt gesmolten silica vaak aanbevolen omdat dit een van de laagste GDD-waarden heeft in het zichtbare en nabij-infrarode golflengtebereik. Het voortplanten van een puls van 1030 nm door 1 mm gesmolten silica zal bijvoorbeeld een GDD van ongeveer 19 fs2 opleveren, maar bij dezelfde golflengte zal 1 mm SF11 resulteren in een GDD van meer dan 125 fs2. Brekingsindexdatabases, zoals refractivendex .info, zijn een nuttige bron om te bepalen welk materiaal de beste optica is voor gebruik bij de keuze van straalpaden, en uw verzamelde GDD is een nuttige bron.
Vanwege deze trend van positieve GDD en time-warping wordt het ten zeerste aanbevolen om gespecialiseerde ultrasnelle optica te gebruiken die weinig tot geen extra GDD produceren, waardoor de kans op langere pulsduur wordt verkleind.
Hoe weet u of u pulscompressie nodig heeft?
Wanneer moet je een laserpuls (her)comprimeren? Bij ultrasnelle beeldvormingstoepassingen zoals multifotonmicroscopie geven wazige beelden aan dat de puls in de loop van de tijd kan worden uitgerekt. Bij ultrasnelle laserverwerking kan pulsuittrekking leiden tot verminderde snijnauwkeurigheid en -precisie. De uitgerekte pulsduur vermindert de kans op interacties met meerdere fotonen, wat de efficiëntie van het ultrasnelle systeem vermindert. Hoewel het niet mogelijk is om voor elke situatie strikte en snelle regels te geven, helpen de volgende voorbeeldberekeningen enkele best practices te demonstreren om te bepalen of pulscompressie nodig is.
Beschouw een opstelling met meerdere fotonenmicroscopen met een straalpad zoals weergegeven in Figuur 5.
Figuur 5: Voorbeeldschema van het bundelpad in een multiphoton-microscopie-experiment
Een eerste orde benadering van de pulsexpansie kan worden verkregen door de GDD-bijdragen van alle elementen in het systeem op te tellen voordat de laser het monster bereikt. Laten we aannemen dat de belangrijkste bijdragers aan de spreiding de bundelexpander, de dichroïsche filters en het focusseringsobjectief zijn. We zullen het effect van de scanspiegels negeren, aangezien deze meestal zijn gemaakt van metaalcoatings met een lage GDD. Als de puls gecentreerd is op een golflengte van 1030 nm, kan het systeem gemakkelijk meer dan 600 fs2 GDD toevoegen.
Of de puls in het systeem al dan niet moet worden gecomprimeerd, hangt af van de ingangspulsduur en de specifieke behoeften van de toepassing. Als u begint met een puls van 150 fs, heeft de transmissie via de optiek een verwaarloosbaar effect op de pulsduur. Als uw toepassing echter een temporele resolutie vereist die alleen kan worden bereikt met een laserpuls van 10 fs, dan zal deze hoeveelheid GDD ervoor zorgen dat uw initiële puls zich uitbreidt tot ongeveer 167 fs. In dit geval is hercompressie vereist. Deze precieze details zijn sterk afhankelijk van uw specifieke straalpad en toepassing.
Ultrasnelle lasertoepassingen
Spectroscopie
Spectroscopie is sinds de introductie ervan een van de belangrijkste toepassingsgebieden van ultrasnelle laserlichtbronnen. Door de pulsduur terug te brengen tot femtoseconden of zelfs attoseconden zijn dynamische processen in de natuurkunde, scheikunde en biologie nu mogelijk die historisch gezien onmogelijk waar te nemen waren. Een van de belangrijkste processen is atomaire beweging, waarvan de observatie het wetenschappelijke begrip van fundamentele processen zoals moleculaire trillingen, moleculaire dissociatie en energieoverdracht in fotosynthetische eiwitten heeft verbeterd.
Bio-imaging
Ultrasnelle lasers met een hoog piekvermogen ondersteunen niet-lineaire processen en verbeteren de resolutie voor bio-imaging, zoals multiphoton-microscopie (Fig. 12). In een multifotonsysteem moeten twee fotonen elkaar overlappen in ruimte en tijd om een niet-lineair signaal van een biologisch medium of fluorescerend doelwit te genereren. Dit niet-lineaire mechanisme verbetert de beeldresolutie door het achtergrondfluorescentiesignaal dat studies naar processen met één foton teistert, aanzienlijk te verminderen. Figuur 13 illustreert deze vereenvoudigde signaalachtergrond. Het kleinere excitatiegebied van multifotonenmicroscopie voorkomt ook fototoxiciteit en minimaliseert schade aan het monster.
Figuur 6: Multiphoton of niet-lineaire microscopie maakt gebruik van een ultrasnelle laserbron om driedimensionale (3D) beelden met hoge resolutie vast te leggen met verminderde fotobleken en fototoxiciteit in vergelijking met conventionele confocale microscopietechnieken.
Figuur 7: Weergave signaalpositie van een microscopiesysteem met twee fotonen, twee fotonen (boven) en één foton (onder). De overlap die door de twee fotonen wordt geproduceerd, resulteert in een kleiner excitatievolume, terwijl het signaal van één foton wordt beïnvloed door het achtergrondsignaal van buiten het brandpuntsvlak.
Lasermateriaalverwerking
Ultrasnelle laserbronnen hebben ook een revolutie teweeggebracht in de lasermicrobewerking en materiaalverwerking vanwege de unieke manier waarop ultrakorte pulsen interageren met materialen. Zoals eerder vermeld, is bij de bespreking van LDT de ultrasnelle pulsduur sneller dan de tijdschaal van thermische diffusie in het materiaalrooster. Ultrasnelle lasers produceren een veel kleinere, door hitte beïnvloede zone dan gepulseerde lasers van nanoseconden, wat resulteert in minder kerfverlies en een nauwkeurigere verwerking. Dit principe is ook van toepassing op medische toepassingen, waarbij de verhoogde precisie van ultrasnel lasersnijden de schade aan omringend weefsel helpt minimaliseren en de patiëntervaring tijdens laserchirurgie verbetert.
Attosecondepulsen: de toekomst van ultrasnelle lasers
Terwijl het onderzoek naar de voortschrijdende ultrasnelle lasers voortduurt, worden er nieuwe en verbeterde lichtbronnen met kortere pulsduur ontwikkeld. Om inzicht te krijgen in snellere fysische processen, concentreren veel onderzoekers zich op het genereren van attosecondepulsen - in het extreem ultraviolette (XUV) golflengtebereik duren attosecondepulsen ongeveer 10-18 s. Attosecondepulsen maken het volgen van elektronenbewegingen mogelijk en verbeteren ons begrip van de elektronische structuur en de kwantummechanica. Hoewel de integratie van XUV-attosecondelasers in industriële processen nog geen noemenswaardige vooruitgang heeft geboekt, zullen voortgaand onderzoek en vooruitgang in het veld deze technologie vrijwel zeker uit het laboratorium en naar de productie verdrijven, zoals het geval is geweest met femtoseconde- en picoseconde-laserbronnen.
