Уникальные особенности сверхбыстрых лазеров
Сверхкороткая длительность импульса сверхбыстрых лазеров придает этим системам уникальные характеристики, которые отличают их от лазеров с длинными импульсами или лазерами непрерывного действия (CW). Для генерации таких коротких импульсов необходима широкая спектральная полоса пропускания. Форма импульса и центральная длина волны определяют минимальную полосу пропускания, необходимую для создания импульса определенной длительности. Обычно эта взаимосвязь описывается произведением временной полосы пропускания (TBP), которое выводится из принципа неопределенности. TBP гауссово распределенного импульса определяется выражением.
TBPGaussian{{0}}ΔτΔν≈0,441
Δτ — длительность импульса, а Δv — полоса частот. По сути, уравнение показывает, что существует обратная зависимость между спектральной полосой пропускания и длительностью импульса, а это означает, что по мере уменьшения длительности импульса полоса пропускания, необходимая для генерации этого импульса, увеличивается. На рисунке 1 показана минимальная полоса пропускания, необходимая для поддержки нескольких импульсов различной длительности.
Рисунок 1. Минимальная спектральная полоса пропускания, необходимая для поддержки лазерных импульсов длительностью 10 пс (зеленый), 500 фс (синий) и 50 фс (красный).
Рисунок 2: Изображение средней мощности Pavg и пиковой мощности Ppeak для лазера с длительностью импульса t.
Технические проблемы сверхбыстрых лазеров
Широкая спектральная полоса пропускания, высокая пиковая мощность и короткая длительность импульса сверхбыстрых лазеров должны правильно управляться в вашей системе. Зачастую одной из самых простых проблем, которую можно решить, является выходной сигнал лазера широкого спектра. Если в прошлом вы в основном использовали лазеры с более длинными импульсами или непрерывными волнами, ваша существующая оптика может быть не способна отражать или передавать полную полосу пропускания сверхбыстрых импульсов.
Порог лазерного повреждения
Сверхбыстрая оптика также имеет существенно отличающийся и более сложный для определения порог повреждения лазера (LDT), чем более традиционные лазерные источники (рис. 3). При создании оптики для наносекундных импульсных лазеров значения LDT обычно составляют порядка 5-10 Дж/см2. Для сверхбыстрой оптики значения такой величины практически неслыханны, поскольку значения LDT, скорее всего, будут порядка<1 J/cm2, usually closer to 0.3 J/cm2.
Значительное изменение амплитуды ЛДТ при различной длительности импульса является следствием механизма лазерного повреждения, основанного на длительности импульса. Для наносекундных лазеров или лазеров с более длинными импульсами основным механизмом повреждения является термический нагрев. Материалы покрытия и подложки оптики поглощают падающие фотоны и нагреваются. Это может привести к искажению решетки материала. Такие эффекты, как тепловое расширение, растрескивание, плавление и деформация решетки, являются распространенными механизмами теплового повреждения для этих типов лазерных источников.
Рисунок 3. Повреждение оптических поверхностей лазером, как показано здесь, может ухудшить производительность лазерной системы, сделав ее бесполезной или даже опасной. Из-за малой длительности импульса механизмы повреждения при использовании сверхбыстрых лазеров существенно отличаются от таковых при использовании лазеров с более длинными импульсами.
Однако в случае сверхбыстрых лазеров длительность импульса сама по себе превышает время передачи тепла от лазера к решетке материала, и поэтому тепловые эффекты не являются основной причиной лазерно-индуцированных повреждений (рис. 4). Вместо этого пиковая мощность сверхбыстрого лазера преобразует механизм повреждения в нелинейные процессы, такие как многофотонное поглощение и ионизация. Вот почему невозможно просто уменьшить рейтинг LDT наносекундного импульса до сверхбыстрого импульса, поскольку физические механизмы повреждения различны. Следовательно, при одинаковых условиях использования (например, длина волны, длительность импульса и частота повторения) оптика с достаточно высоким показателем LDT будет лучшей оптикой для вашего конкретного применения. Оптика, протестированная в разных условиях, не отражает фактическую производительность одной и той же оптики в системе.
Рисунок 4. Механизмы лазерно-индуцированных повреждений при различной длительности импульса.
Дисперсия и расширение импульса: дисперсия групповой задержки
Одной из наиболее сложных технических проблем, возникающих при использовании сверхбыстрых лазеров, является поддержание длительности ультракороткого импульса, первоначально излучаемого лазером. Сверхбыстрые импульсы очень чувствительны к временным аберрациям, которые удлиняют импульс. Этот эффект усиливается по мере сокращения начальной длительности импульса. Хотя сверхбыстрые лазеры могут излучать импульсы длительностью 50 секунд, можно расширить импульс во времени, используя зеркала и линзы для доставки импульса в целевое место или даже просто для передачи импульса по воздуху.
Это временное искажение количественно оценивается с помощью метрики, называемой дисперсией групповой задержки (GDD), также известной как дисперсия второго порядка. Фактически, существуют также члены дисперсии более высокого порядка, которые могут влиять на временное распределение сверхбыстрых лазерных импульсов, но на практике обычно этого достаточно для изучения эффекта GDD. GDD — это частотно-зависимая величина, которая линейно масштабируется в зависимости от толщины данного материала. Передающая оптика, такая как линзы, окна и линзы в сборе, обычно имеет положительные значения GDD, что указывает на то, что после сжатия импульс может дать передающей оптике более длительную длительность импульса, чем импульс, излучаемый лазерной системой. Компоненты с более низкой частотой (т. е. с большей длиной волны) распространяются быстрее, чем компоненты с более высокой частотой (т. е. с более короткой длиной волны). По мере того, как импульс проходит через все больше и больше материи, длины волн в импульсе будут продолжать расширяться во времени все дальше и дальше. Для более коротких импульсов и, следовательно, более широкой полосы пропускания этот эффект еще больше усиливается и может привести к значительным искажениям времени импульса.
Для более длинных импульсов с наносекундной или даже пикосекундной длительностью GDD не является серьезной проблемой. Однако для более коротких фемтосекундных импульсов даже размещение кусочка N-BK7 толщиной 10 мм на пути луча может расширить импульс 50 фс с центром на длине волны 800 нм более чем на 12%, что примерно эквивалентно размещению двух окон или фильтров в путь луча.
Влияние GDD на приложение зависит от нескольких факторов, включая длительность входного импульса (τinput), центральную частоту (или длину волны) и материал, через который распространяется импульс.
Уравнение (2) ясно показывает, что при одном и том же значении GDD более короткая длительность импульса будет расширяться более значительно, чем более длинная длительность входного импульса. Вот почему GDD не обсуждается в контексте наносекундных или пикосекундных импульсов. Например, GDD всего 20,000 fs2 может расширить импульс длительностью 1 пс на 0,2%. Примеры в следующих параграфах показывают, что это эквивалентно распространению импульса с длиной волны 1030 нм на глубину более 1 м плавленого кварца.
Показатель преломления материала зависит от частоты проходящего через него света, и GDD имеет аналогичную зависимость от показателя преломления. При выборе пропускающей и преломляющей оптики для сверхбыстрых систем часто рекомендуется использовать плавленый кварц, поскольку он имеет одно из самых низких значений GDD в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах длин волн. Например, распространение импульса с длиной волны 1030 нм через 1 мм плавленого кварца приведет к GDD около 19 фс2, но при той же длине волны 1 мм SF11 приведет к GDD более 125 фс2. Базы данных показателей преломления, такие как refractivendex .info — полезный ресурс для определения того, какой материал является лучшей оптикой для использования при выборе траектории луча, а также ваши накопленные значения GDD.
Из-за этой тенденции к положительному GDD и искажению времени настоятельно рекомендуется использовать специализированную сверхбыструю оптику, которая практически не создает дополнительного GDD, тем самым уменьшая возможность увеличения длительности импульса.
Как узнать, нужна ли вам компрессия пульса?
Когда вам нужно (повторно) сжать лазерный импульс? В приложениях сверхбыстрой визуализации, таких как многофотонная микроскопия, размытые изображения указывают на то, что импульс может быть растянут во времени. При сверхбыстрой лазерной обработке растяжение импульса может привести к снижению точности резки. Растянутая длительность импульса снижает вероятность многофотонных взаимодействий, что снижает эффективность сверхбыстрой системы. Хотя невозможно предоставить строгие и быстрые правила для каждой ситуации, следующие примеры расчетов помогут продемонстрировать некоторые рекомендации по определению необходимости сжатия импульсов.
Рассмотрим установку многофотонного микроскопа с траекторией луча, как показано на рисунке 5.
Рисунок 5: Пример схемы траектории луча в эксперименте с многофотонной микроскопией.
Приближение первого порядка расширения импульса может быть получено путем суммирования вкладов GDD всех элементов системы до того, как лазер достигнет образца. Предположим, что основной вклад в дисперсию вносят расширитель луча, дихроичные фильтры и фокусирующий объектив. Мы не будем учитывать влияние сканирующих зеркал, поскольку они обычно изготавливаются из металлических покрытий с низкой ГДД. Если центр импульса находится на длине волны 1030 нм, система может легко добавить более 600 фс2 GDD.
Необходимость сжатия импульса в системе зависит от длительности входного импульса и конкретных потребностей приложения. Если начать с импульса длительностью 150 фс, передача через оптику окажет незначительное влияние на длительность импульса. Однако если вашему приложению требуется временное разрешение, которого можно достичь только с помощью лазерного импульса длительностью 10 фс, то такое количество GDD приведет к расширению вашего начального импульса примерно до 167 фс. В этом случае требуется рекомпрессия. Эти точные детали во многом зависят от вашего конкретного пути луча и применения.
Применение сверхбыстрых лазеров
Спектроскопия
Спектроскопия была одной из основных областей применения сверхбыстрых лазерных источников света с момента их появления. Уменьшив длительность импульсов до фемтосекунд или даже аттосекунд, теперь стали возможны динамические процессы в физике, химии и биологии, которые исторически невозможно было наблюдать. Одним из ключевых процессов является движение атомов, наблюдение которого улучшило научное понимание фундаментальных процессов, таких как молекулярная вибрация, молекулярная диссоциация и перенос энергии в фотосинтетических белках.
Биовизуализация
Сверхбыстрые лазеры с высокой пиковой мощностью поддерживают нелинейные процессы и улучшают разрешение биоизображений, таких как многофотонная микроскопия (рис. 12). В многофотонной системе два фотона должны перекрываться в пространстве и времени, чтобы генерировать нелинейный сигнал от биологической среды или флуоресцентной мишени. Этот нелинейный механизм улучшает разрешение изображений за счет значительного уменьшения фонового сигнала флуоресценции, который мешает изучению однофотонных процессов. Рисунок 13 иллюстрирует этот упрощенный фон сигнала. Меньшая область возбуждения многофотонной микроскопии также предотвращает фототоксичность и сводит к минимуму повреждение образца.
Рисунок 6: Многофотонная или нелинейная микроскопия использует сверхбыстрый лазерный источник для получения трехмерных (3D) изображений высокого разрешения с меньшим фотообесцвечиванием и фототоксичностью по сравнению с традиционными методами конфокальной микроскопии.
Рисунок 7: Изображение положения сигнала двухфотонной двухфотонной (вверху) и однофотонной (внизу) системы микроскопии. Перекрытие, создаваемое двумя фотонами, приводит к меньшему объему возбуждения, в то время как на однофотонный сигнал влияет фоновый сигнал снаружи фокальной плоскости.
Лазерная обработка материалов
Сверхбыстрые лазерные источники также произвели революцию в лазерной микрообработке и обработке материалов благодаря уникальному способу взаимодействия ультракоротких импульсов с материалами. Как упоминалось ранее, при обсуждении LDT длительность сверхбыстрого импульса превышает время термодиффузии в решетку материала. Сверхбыстрые лазеры создают гораздо меньшую зону термического воздействия, чем наносекундные импульсные лазеры, что приводит к меньшим потерям в ширине и более точной обработке. Этот принцип также применим к медицинским применениям, где повышенная точность сверхбыстрой лазерной резки помогает свести к минимуму повреждение окружающих тканей и улучшить ощущения пациента во время лазерной хирургии.
Аттосекундные импульсы: будущее сверхбыстрых лазеров
Поскольку исследования в области разработки сверхбыстрых лазеров продолжаются, разрабатываются новые и улучшенные источники света с более короткой длительностью импульсов. Чтобы получить представление о более быстрых физических процессах, многие исследователи сосредотачивают внимание на генерации аттосекундных импульсов - в диапазоне длин волн крайнего ультрафиолета (XUV) аттосекундные импульсы имеют продолжительность около 10-18 с. Аттосекундные импульсы позволяют отслеживать движение электронов и улучшают наше понимание электронной структуры и квантовой механики. Хотя интеграция аттосекундных лазеров XUV в промышленные процессы еще не получила значительного развития, продолжающиеся исследования и достижения в этой области почти наверняка вытеснят эту технологию из лабораторий в производство, как это произошло с фемтосекундными и пикосекундными лазерными источниками.
