Nodweddion Unigryw Laserau Tra chyflym
Mae hyd pwls tra-byr laserau gwibgyswllt yn rhoi nodweddion unigryw i'r systemau hyn sy'n eu gwahaniaethu oddi wrth laserau pwls hir neu don barhaus (CW). Er mwyn cynhyrchu corbys byr o'r fath, mae angen lled band sbectrol eang. Mae siâp curiad y galon a thonfedd y ganolfan yn pennu'r lled band lleiaf sydd ei angen i gynhyrchu pwls o hyd penodol. Yn nodweddiadol, disgrifir y berthynas hon gan y cynnyrch lled band amser (TBP), sy'n deillio o'r egwyddor ansicrwydd. Rhoddir TBP pwls dosranedig Gaussian gan.
TBPGaussian{{0}}ΔτΔν≈0.441
Δτ yw hyd curiad y galon ac Δv yw'r lled band amledd. Yn y bôn, mae'r hafaliad yn dangos bod perthynas wrthdro rhwng lled band sbectrol a hyd curiad y galon, sy'n golygu wrth i hyd y curiad leihau, mae'r lled band sydd ei angen i gynhyrchu'r curiad hwnnw yn cynyddu. Mae Ffigur 1 yn dangos yr isafswm lled band sydd ei angen i gynnal sawl hyd curiad y galon.
Ffigur 1: Lled band sbectrol lleiaf sydd ei angen i gynnal corbys laser 10 ps (gwyrdd), 500 fs (glas) a 50 fs (coch).
Ffigur 2: Darlun o bŵer cyfartalog Pavg a Ppeak pŵer brig ar gyfer laser â hyd curiad y galon t
Heriau technegol laserau tra chyflym
Rhaid rheoli lled band sbectrol eang, pŵer brig uchel a hyd pwls byr laserau gwibgyswllt yn gywir yn eich system. Yn aml, un o'r heriau hawsaf i fynd i'r afael ag ef yw allbwn sbectrwm eang y laser. Os ydych chi wedi defnyddio laserau tonnau di-dor neu byls hirach yn y gorffennol yn bennaf, efallai na fydd eich rhestr bresennol o opteg yn gallu adlewyrchu neu drosglwyddo lled band llawn curiadau gwibgyswllt.
Trothwy Difrod Laser
Mae gan opteg tra chyflym hefyd drothwy difrod laser (LDT) sy'n sylweddol wahanol ac yn anoddach ei lywio na ffynonellau laser mwy traddodiadol (Ffigur 3). Wrth ddarparu opteg ar gyfer laserau nanosecond pulsed, mae gwerthoedd LDT fel arfer tua 5-10 J/cm2. Ar gyfer opteg gwibgyswllt, mae bron yn ddieithr i werthoedd o'r maint hwn, gan fod gwerthoedd LDT yn fwy tebygol o fod ar y drefn o<1 J/cm2, usually closer to 0.3 J/cm2.
Mae'r amrywiad sylweddol mewn osgled LDT ar gyfer gwahanol gyfnodau curiad y galon yn ganlyniad i fecanwaith difrod laser yn seiliedig ar hyd curiad y galon. Ar gyfer laserau nanosecond neu laserau pwls hirach, y prif fecanwaith sy'n arwain at ddifrod yw gwresogi thermol. Mae deunyddiau cotio a swbstrad yr opteg yn amsugno'r ffotonau digwyddiad ac yn gwresogi. Gall hyn arwain at ystumio'r dellt deunydd. Mae effeithiau megis ehangu thermol, cracio, toddi a straen dellt yn fecanweithiau difrod thermol cyffredin ar gyfer y mathau hyn o ffynonellau laser.
Ffigur 3: Gall difrod laser i arwynebau optegol, fel y dangosir yma, ddiraddio perfformiad system laser, gan ei wneud yn ddiwerth neu hyd yn oed yn beryglus. Oherwydd hyd pwls byr, mae'r mecanweithiau difrod wrth ddefnyddio laserau gwibgyswllt yn sylweddol wahanol i'r rhai wrth ddefnyddio laserau pwls hirach.
Fodd bynnag, gyda laserau gwibgyswllt, mae hyd y pwls ei hun yn gyflymach nag amserlen trosglwyddo gwres o'r laser i'r dellt materol, ac felly nid effeithiau thermol yw prif achos difrod a achosir gan laser (Ffigur 4). Yn lle hynny, mae pŵer brig y laser tra chyflym yn trawsnewid y mecanwaith difrod yn brosesau aflinol fel amsugno amlffoton ac ïoneiddiad. Dyma pam nad yw'n bosibl lleihau cyfradd LDT curiad y galon nanosecond i guriad tra chyflym, oherwydd bod mecanweithiau ffisegol difrod yn wahanol. Felly, o dan yr un amodau defnyddio (ee, tonfedd, hyd curiad y galon, ac amlder ailadrodd), opteg â sgôr LDT digon uchel fydd yr opteg orau ar gyfer eich cais penodol. Nid yw opteg a brofir o dan amodau gwahanol yn gynrychioliadol o berfformiad gwirioneddol yr un opteg mewn system.
Ffigur 4: Mecanweithiau difrod a achosir gan laser ar gyfer gwahanol gyfnodau curiad y galon
Gwasgariad ac Ymestyn Pwls: Gwasgariad Oedi Grŵp
Un o'r heriau technegol anoddaf a wynebir wrth ddefnyddio laserau gwibgyswllt yw cynnal hyd y pwls ultrashort a allyrrir i ddechrau gan y laser. Mae corbys gwibgyswllt yn agored iawn i aberrations amser, sy'n gwneud y pwls yn hirach. Mae'r effaith hon yn gwaethygu wrth i hyd y pwls cychwynnol gael ei fyrhau. Er y gall laserau gwibgyswllt allyrru corbys am gyfnodau o 50 eiliad, mae'n bosibl ehangu'r pwls mewn amser trwy ddefnyddio drychau a lensys i ddosbarthu'r pwls i'r lleoliad targed, neu hyd yn oed dim ond i drosglwyddo'r curiad drwy'r aer.
Mae'r ystumiad tro hwn yn cael ei feintioli gan ddefnyddio metrig o'r enw gwasgariad oedi grŵp (GDD), a elwir hefyd yn wasgariad ail drefn. Mewn gwirionedd, mae yna hefyd dermau gwasgariad lefel uwch a allai effeithio ar ddosbarthiad amser corbys laser tra chyflym, ond yn ymarferol fel arfer mae'n ddigon i archwilio effaith GDD. Mae GDD yn werth sy'n dibynnu ar amledd sy'n graddio'n llinol â thrwch deunydd penodol. Yn nodweddiadol, mae gan opteg trosglwyddo fel lens, ffenestri, a chynulliadau lens gwrthrychol werthoedd GDD positif, sy'n nodi y gall y pwls ar ôl ei gywasgu roi hyd pwls hirach i'r opteg trosglwyddo na'r pwls a allyrrir gan y system laser. Mae cydrannau amledd is (hy, tonfedd hirach) yn lluosogi'n gyflymach na chydrannau amledd uwch (hy, tonfedd fyrrach). Wrth i'r pwls deithio trwy fwy a mwy o fater, bydd y tonfeddi yn y pwls yn parhau i ymestyn ymhellach ac ymhellach mewn amser. Ar gyfer cyfnodau pwls byrrach, ac felly lled band ehangach, mae'r effaith hon yn cael ei gorliwio ymhellach a gall arwain at ystumio amser curiad y galon yn sylweddol.
Ar gyfer corbys hirach gyda hyd nanosecond neu hyd yn oed curiad y galon picosecond, nid yw GDD yn broblem fawr. Fodd bynnag, ar gyfer corbys femtosecond byrrach, gall hyd yn oed gosod darn 10 mm o drwch o N-BK7 yn y llwybr trawst ehangu pwls 50 fs wedi'i ganoli ar 800 nm gan fwy na 12%, sy'n cyfateb yn fras i osod dwy ffenestr neu hidlydd yn y llwybr trawst.
Mae effaith GDD ar gymhwysiad yn dibynnu ar sawl ffactor, gan gynnwys hyd pwls mewnbwn (τ mewnbwn), amledd canol (neu donfedd), a'r deunydd y mae'r pwls yn ymledu trwyddo.
Mae hafaliad (2) yn dangos yn glir, ar gyfer yr un gwerth GDD, y bydd hyd pwls byrrach yn ehangu'n fwy arwyddocaol na hyd pwls mewnbwn hirach. Dyma pam nad yw GDD yn cael ei drafod yng nghyd-destun corbys nanosecond neu picosecond. Er enghraifft, gall GDD o ddim ond 20,000 fs2 ehangu pwls 1ps 0.2%. Mae'r enghreifftiau yn y paragraffau canlynol yn dangos bod hyn yn cyfateb i luosogi curiad 1030 nm i fwy nag 1 m o silica ymdoddedig.
Mae mynegai plygiannol deunydd yn dibynnu ar amlder y golau sy'n teithio drwyddo, ac mae gan GDD ddibyniaeth debyg ar fynegai plygiannol. Wrth ddewis opteg trawsyrru a phlygiant ar gyfer systemau gwibgyswllt, mae silica ymdoddedig yn aml yn cael ei argymell oherwydd bod ganddo un o'r gwerthoedd GDD isaf yn yr ystodau tonfedd gweladwy a bron-isgoch. Er enghraifft, bydd lluosogi pwls 1030 nm trwy 1 mm o silica ymdoddedig yn cynhyrchu GDD o tua 19 fs2 , ond ar yr un donfedd, bydd 1 mm o SF11 yn arwain at GDD o fwy na 125 fs2 o gronfeydd data mynegai plygiannol, megis refractivendex .info, yn adnodd defnyddiol ar gyfer penderfynu pa ddeunydd yw'r opteg gorau i'w ddefnyddio wrth ddewis llwybrau trawst, ac mae eich GDD cronedig yn adnodd defnyddiol.
Oherwydd y duedd hon o GDD positif ac ysbeilio amser, argymhellir yn gryf defnyddio opteg gwibgyswllt arbenigol sy'n cynhyrchu fawr ddim neu ddim GDD ychwanegol, gan leihau'r cyfle am gyfnodau pwls estynedig.
Sut ydych chi'n gwybod a oes angen cywasgu pwls arnoch chi?
Pryd mae angen i chi (ail)gywasgu pwls laser? Mewn cymwysiadau delweddu gwibgyswllt fel microsgopeg amlffoton, mae delweddau aneglur yn dangos y gall y pwls gael ei ymestyn mewn amser. Mewn prosesu laser tra chyflym, gall ymestyn pwls arwain at lai o gywirdeb torri a manwl gywirdeb. Mae hyd pwls estynedig yn lleihau'r tebygolrwydd o ryngweithio amlffoton, sy'n lleihau effeithlonrwydd y system gwibgyswllt. Er nad yw'n bosibl darparu rheolau llym a chyflym ar gyfer pob sefyllfa, mae'r cyfrifiadau enghreifftiol canlynol yn helpu i ddangos rhai arferion gorau ar gyfer penderfynu a oes angen cywasgu curiad y galon.
Ystyriwch osod microsgop amlffoton gyda llwybr trawst fel y dangosir yn Ffigur 5.
Ffigur 5: Sgematig enghreifftiol o lwybr y trawst mewn arbrawf microsgopeg amlffoton
Gellir cael brasamcan trefn gyntaf o'r ehangiad pwls trwy grynhoi cyfraniadau GDD pob elfen yn y system cyn i'r laser gyrraedd y sampl. Gadewch inni dybio mai'r prif gyfranwyr at y gwasgariad yw'r ehangwr trawst, yr hidlwyr deucroig a'r amcan ffocws. Byddwn yn anwybyddu effaith y drychau sganio gan eu bod fel arfer wedi'u gwneud o haenau metel GDD isel. Os yw'r pwls wedi'i ganoli ar donfedd o 1030 nm, gall y system ychwanegu mwy na 600 fs2 o GDD yn hawdd.
Mae p'un a oes angen cywasgu'r pwls yn y system ai peidio yn dibynnu ar hyd pwls mewnbwn ac anghenion penodol y cais. Os byddwch chi'n dechrau gyda phwls 150fs, bydd y trosglwyddiad trwy'r opteg yn cael effaith fach iawn ar hyd y curiad. Fodd bynnag, os oes angen datrysiad amserol ar eich cais na ellir ond ei gyflawni gyda churiad laser 10 fs, yna bydd y swm hwn o GDD yn achosi i'ch pwls cychwynnol ehangu i tua 167 fs. Yn yr achos hwn, mae angen recompression. Mae'r union fanylion hyn yn dibynnu'n fawr ar eich llwybr trawst penodol a'ch cais.
Cymwysiadau Laser Ultrafast
Sbectrosgopeg
Mae sbectrosgopeg wedi bod yn un o brif feysydd cymhwyso ffynonellau golau laser gwibgyswllt ers eu cyflwyno. Trwy leihau hyd curiad y galon i femtoeiliadau neu hyd yn oed attoeiliadau, mae prosesau deinamig mewn ffiseg, cemeg a bioleg yr oedd yn hanesyddol amhosibl eu harsylwi bellach yn bosibl. Un o'r prosesau allweddol yw mudiant atomig, y mae arsylwi arno wedi gwella'r ddealltwriaeth wyddonol o brosesau sylfaenol megis dirgryniad moleciwlaidd, daduniad moleciwlaidd a throsglwyddo egni mewn proteinau ffotosynthetig.
Bioddelweddu
Mae laserau tra chyflym gyda phŵer brig uchel yn cefnogi prosesau aflinol ac yn gwella datrysiad ar gyfer bioddelweddu, megis microsgopeg amlffoton (Ffig. 12). Mewn system amlffoton, rhaid i ddau ffoton orgyffwrdd mewn gofod ac amser er mwyn cynhyrchu signal aflinol o gyfrwng biolegol neu darged fflwroleuol. Mae'r mecanwaith aflinol hwn yn gwella datrysiad delweddu trwy leihau'n sylweddol y signal fflworoleuedd cefndir sy'n plagio astudiaethau o brosesau un ffoton. Mae Ffigur 13 yn dangos y cefndir signal symlach hwn. Mae rhanbarth cynhyrfu llai microsgopeg amlffoton hefyd yn atal ffotowenwynig ac yn lleihau'r difrod i'r sampl.
Ffigur 6: Mae microsgopeg amlffoton neu aflinol yn defnyddio ffynhonnell laser gwibgyswllt i ddal delweddau tri dimensiwn (3D) cydraniad uchel gyda llai o gannu ffotod a ffotowenwynig o gymharu â thechnegau microsgopeg confocal confensiynol.
Ffigur 7: Darlun lleoliad signal o system microsgopeg dau ffoton dau ffoton (top) ac un ffoton (gwaelod). Mae'r gorgyffwrdd a gynhyrchir gan y ddau ffoton yn arwain at gyfaint excitation llai, tra bod y signal un ffoton yn cael ei effeithio gan y signal cefndir o'r tu allan i'r awyren ffocal.
Prosesu deunydd laser
Mae ffynonellau laser tra chyflym hefyd wedi chwyldroi micro-beiriannu laser a phrosesu deunyddiau oherwydd y ffordd unigryw y mae corbys ultrashort yn rhyngweithio â deunyddiau. Fel y soniwyd yn gynharach, wrth drafod LDT, mae hyd pwls cyflym iawn yn gyflymach na graddfa amser trylediad thermol i'r dellt deunydd. Mae laserau tra chyflym yn cynhyrchu parth sy'n cael ei effeithio gan wres lawer llai na laserau pwls nanosecond, gan arwain at golli llai o kerf a phrosesu mwy manwl gywir. Mae'r egwyddor hon hefyd yn berthnasol i gymwysiadau meddygol, lle mae cywirdeb cynyddol torri laser gwibgyswllt yn helpu i leihau'r difrod i'r meinwe amgylchynol a gwella profiad y claf yn ystod llawdriniaeth laser.
Codlysiau attosecond: dyfodol laserau tra chyflym
Wrth i ymchwil i ddatblygu laserau tra chyflym barhau, mae ffynonellau golau newydd a gwell gyda chyfnodau pwls byrrach yn cael eu datblygu. Er mwyn cael mewnwelediad i brosesau corfforol cyflymach, mae llawer o ymchwilwyr yn canolbwyntio ar gynhyrchu corbys attosecond - yn yr ystod tonfedd uwchfioled eithafol (XUV), mae corbys attosecond tua 10-18 s. Mae corbys Attosecond yn caniatáu olrhain mudiant electronau ac yn gwella ein dealltwriaeth o strwythur electronig a mecaneg cwantwm. Er nad yw integreiddio laserau attosecond XUV i brosesau diwydiannol wedi ennill tyniant sylweddol eto, bydd ymchwil a datblygiadau parhaus yn y maes bron yn sicr yn gwthio'r dechnoleg hon allan o'r labordy ac i weithgynhyrchu, fel sydd wedi digwydd gyda ffynonellau laser femtosecond a picosecond.
