Característiques úniques dels làsers ultraràpids
Les durades de pols ultra curts dels làsers ultra ràpids donen a aquests sistemes característiques úniques que els distingeixen dels làsers de pols llarg o d'ona contínua (CW). Per generar polsos tan curts, cal un ample de banda espectral ampli. La forma del pols i la longitud d'ona central determinen l'amplada de banda mínima necessària per produir un pols d'una durada específica. Normalment, aquesta relació es descriu pel producte d'amplada de banda temporal (TBP), que es deriva del principi d'incertesa. El TBP d'un pols distribuït gaussià ve donat per.
TBPGaussià{{0}}ΔτΔν≈0,441
Δτ és la durada del pols i Δv és l'amplada de banda de freqüència. Essencialment, l'equació mostra que hi ha una relació inversa entre l'ample de banda espectral i la durada del pols, el que significa que a mesura que disminueix la durada del pols, augmenta l'ample de banda necessari per generar aquest pols. La figura 1 il·lustra l'amplada de banda mínima necessària per suportar diverses durades de pols diferents.
Figura 1: ample de banda espectral mínim necessari per suportar polsos làser de 10 ps (verd), 500 fs (blau) i 50 fs (vermell)
Figura 2: Representació de la potència mitjana Pavg i la potència màxima Ppic per a un làser amb una durada de pols t
Reptes tècnics dels làsers ultra ràpids
L'ample ample de banda espectral, l'alta potència màxima i la curta durada del pols dels làsers ultraràpids s'han de gestionar correctament al vostre sistema. Sovint, un dels reptes més fàcils d'abordar és la sortida d'ampli espectre del làser. Si en el passat heu utilitzat principalment làsers d'ona polsada o contínua més llargues, és possible que el vostre inventari d'òptica actual no sigui capaç de reflectir o transmetre l'ample de banda complet dels polsos ultraràpids.
Llindar de dany del làser
L'òptica ultraràpida també té un llindar de dany làser (LDT) significativament diferent i més difícil de navegar que les fonts làser més tradicionals (figura 3). Quan es proporcionen òptiques per a làsers polsats de nanosegons, els valors de LDT solen ser de l'ordre de 5-10 J/cm2. Per a l'òptica ultraràpida, els valors d'aquesta magnitud són pràcticament inaudits, ja que és més probable que els valors de LDT siguin de l'ordre de<1 J/cm2, usually closer to 0.3 J/cm2.
La variació significativa de l'amplitud de la LDT per a diferents durades de pols és una conseqüència del mecanisme de dany del làser basat en la durada del pols. Per als làsers de nanosegons o làsers polsats més llargs, el mecanisme principal que provoca danys és l'escalfament tèrmic. Els materials de recobriment i substrat de l'òptica absorbeixen els fotons incidents i s'escalfen. Això pot provocar una distorsió de la xarxa del material. Efectes com l'expansió tèrmica, el trencament, la fusió i la tensió de la gelosia són mecanismes de dany tèrmic habituals per a aquest tipus de fonts làser.
Figura 3: El dany del làser a les superfícies òptiques, com es mostra aquí, pot degradar el rendiment d'un sistema làser, fent-lo inútil o fins i tot perillós. A causa de la curta durada del pols, els mecanismes de dany quan s'utilitzen làsers ultra ràpids són significativament diferents dels que s'utilitzen quan s'utilitzen làsers de pols més llarg.
Tanmateix, amb els làsers ultra ràpids, la durada del pols en si és més ràpida que l'escala de temps de transferència de calor del làser a la gelosia del material i, per tant, els efectes tèrmics no són la causa principal del dany induït per làser (figura 4). En canvi, la potència màxima del làser ultraràpid transforma el mecanisme de dany en processos no lineals com l'absorció multifotònica i la ionització. És per això que no és possible simplement reduir la qualificació LDT d'un pols de nanosegons a la d'un pols ultraràpid, perquè els mecanismes físics de dany són diferents. Per tant, en les mateixes condicions d'ús (p. ex., longitud d'ona, durada del pols i freqüència de repetició), una òptica amb una qualificació LDT prou alta serà la millor òptica per a la vostra aplicació concreta. Les òptiques provades en condicions diferents no són representatives del rendiment real de la mateixa òptica en un sistema.
Figura 4: Mecanismes de dany induïts per làser per a diferents durades de pols
Dispersió i extensió del pols: dispersió de retard de grup
Un dels reptes tècnics més difícils que es troben quan s'utilitzen làsers ultra ràpids és mantenir la durada del pols ultracurt emès inicialment pel làser. Els polsos ultra ràpids són molt susceptibles a les aberracions temporals, que fan que el pols sigui més llarg. Aquest efecte empitjora a mesura que s'escurça la durada inicial del pols. Si bé els làsers ultra ràpids poden emetre polsos amb una durada de 50 segons, és possible expandir el pols en el temps utilitzant miralls i lents per lliurar el pols a la ubicació objectiu, o fins i tot només per transmetre el pols a través de l'aire.
Aquesta distorsió temporal es quantifica mitjançant una mètrica anomenada dispersió de retard de grup (GDD), també coneguda com a dispersió de segon ordre. De fet, també hi ha termes de dispersió d'ordre superior que poden afectar la distribució temporal dels polsos làser ultra ràpids, però a la pràctica sol ser suficient per examinar l'efecte del GDD. GDD és un valor que depèn de la freqüència que escala linealment amb el gruix d'un material determinat. Les òptiques de transmissió com els conjunts de lents, finestres i objectius solen tenir valors positius de GDD, cosa que indica que un cop comprimit, el pols pot donar a l'òptica de transmissió una durada de pols més llarga que el pols emès pel sistema làser. Els components de menor freqüència (és a dir, de longitud d'ona més llarga) es propaguen més ràpidament que els components de freqüència més alta (és a dir, de longitud d'ona més curta). A mesura que el pols viatja a través de més i més matèria, les longituds d'ona del pols continuaran estenent-se cada cop més en el temps. Per a durades de pols més curtes i, per tant, amplades de banda més amples, aquest efecte s'exagera encara més i pot provocar una distorsió significativa del temps de pols.
Per a polsos més llargs amb una durada de pols de nanosegons o fins i tot de picosegons, el GDD no és un problema important. Tanmateix, per a polsos de femtosegons més curts, fins i tot col·locar una peça de N-BK7 de 10 mm de gruix al camí del feix pot ampliar un pols de 50 fs centrat a 800 nm en més d'un 12%, cosa que equival aproximadament a col·locar dues finestres o filtres al camí del feix.
L'impacte del GDD en una aplicació depèn de diversos factors, inclosa la durada del pols d'entrada (τentrada), la freqüència central (o longitud d'ona) i el material a través del qual es propaga el pols.
L'equació (2) mostra clarament que per al mateix valor de GDD, una durada de pols més curta s'ampliarà de manera més significativa que una durada de pols d'entrada més llarga. És per això que no es parla de GDD en el context dels polsos de nanosegons o de picosegons. Per exemple, un GDD de només 20,000 fs2 pot eixamplar un pols d'1ps en un 0,2%. Els exemples dels paràgrafs següents mostren que això és equivalent a propagar un pols de 1030 nm a més d'1 m de sílice fosa.
L'índex de refracció d'un material depèn de la freqüència de la llum que la travessa, i el GDD té una dependència similar de l'índex de refracció. A l'hora de seleccionar l'òptica de transmissió i refracció per a sistemes ultraràpids, sovint es recomana la sílice fosa perquè té un dels valors de GDD més baixos en els intervals de longitud d'ona visible i infraroig proper. Per exemple, la propagació d'un pols de 1030 nm a través d'1 mm de sílice fosa produirà un GDD d'uns 19 fs2, però a la mateixa longitud d'ona, 1 mm de SF11 donarà com a resultat un GDD de més de 125 fs2 Bases de dades d'índex de refracció, com ara el refractiu .info, són un recurs útil per determinar quin material és la millor òptica per utilitzar-lo en l'elecció de camins de feix, i el vostre GDD acumulat és un recurs útil.
A causa d'aquesta tendència de GDD positiu i deformació del temps, és molt recomanable utilitzar òptiques ultraràpides especialitzades que produeixen poc o cap GDD addicional, reduint així l'oportunitat de durades de pols prolongades.
Com saps si necessites compressió de pols?
Quan cal (re)comprimir un pols làser? En aplicacions d'imatge ultraràpides, com ara la microscòpia multifotònica, les imatges borroses indiquen que el pols es pot estirar en el temps. En el processament làser ultraràpid, l'estirament del pols pot conduir a una precisió i precisió de tall reduïdes. La durada del pols estirada redueix la probabilitat d'interaccions multifotòns, la qual cosa redueix l'eficiència del sistema ultraràpid. Tot i que no és possible proporcionar regles estrictes i ràpides per a cada situació, els càlculs d'exemple següents ajuden a demostrar algunes pràctiques recomanades per determinar si cal comprimir el pols.
Considereu una configuració de microscopi multifotòn amb un recorregut del feix com es mostra a la figura 5.
Figura 5: Exemple d'esquema de la trajectòria del feix en un experiment de microscòpia multifotònica
Es pot obtenir una aproximació de primer ordre de l'expansió del pols sumant les contribucions GDD de tots els elements del sistema abans que el làser arribi a la mostra. Suposem que els principals contribuents a la dispersió són l'expansor del feix, els filtres dicroics i l'objectiu d'enfocament. Ignorarem l'efecte dels miralls d'escaneig, ja que solen estar fets de recobriments metàl·lics de baix GDD. Si el pols es centra a una longitud d'ona de 1030 nm, el sistema pot afegir fàcilment més de 600 fs2 de GDD.
Si el pols del sistema s'ha de comprimir o no depèn de la durada del pols d'entrada i de les necessitats específiques de l'aplicació. Si comenceu amb un pols de 150 fs, la transmissió a través de l'òptica tindrà un efecte insignificant en la durada del pols. Tanmateix, si la vostra aplicació requereix una resolució temporal que només es pot aconseguir amb un pols làser de 10 fs, aquesta quantitat de GDD farà que el vostre pols inicial s'ampliï a aproximadament 167 fs. En aquest cas, cal recompressió. Aquests detalls precisos depenen molt de la vostra trajectòria i aplicació del feix en particular.
Aplicacions làser ultraràpides
Espectroscòpia
L'espectroscòpia ha estat una de les principals àrees d'aplicació de les fonts de llum làser ultraràpides des de la seva introducció. En reduir la durada dels polsos a femtosegons o fins i tot attosegons, ara són possibles processos dinàmics en física, química i biologia que històricament eren impossibles d'observar. Un dels processos clau és el moviment atòmic, l'observació del qual ha millorat la comprensió científica de processos fonamentals com la vibració molecular, la dissociació molecular i la transferència d'energia en proteïnes fotosintètiques.
Bioimatge
Els làsers ultraràpides amb una potència màxima elevada admeten processos no lineals i milloren la resolució per a la bioimatge, com ara la microscòpia multifotònica (Fig. 12). En un sistema multifotó, dos fotons s'han de solapar en l'espai i el temps per generar un senyal no lineal a partir d'un medi biològic o objectiu fluorescent. Aquest mecanisme no lineal millora la resolució de la imatge reduint significativament el senyal de fluorescència de fons que afecta els estudis de processos d'un sol fotó. La figura 13 il·lustra aquest fons de senyal simplificat. La regió d'excitació més petita de la microscòpia multifotònica també prevé la fototoxicitat i minimitza el dany a la mostra.
Figura 6: La microscòpia multifotònica o no lineal utilitza una font làser ultraràpida per capturar imatges tridimensionals (3D) d'alta resolució amb fotoblanqueig i fototoxicitat reduïts en comparació amb les tècniques de microscòpia confocal convencionals.
Figura 7: Representació de la posició del senyal d'un sistema de microscòpia de dos fotons, dos fotons (superior) i un sol fotó (inferior). La superposició produïda pels dos fotons dóna lloc a un volum d'excitació més petit, mentre que el senyal d'un sol fotó es veu afectat pel senyal de fons des de fora del pla focal.
Processament de materials per làser
Les fonts làser ultra ràpides també han revolucionat el micromecanitzat làser i el processament de materials a causa de la manera única en què els polsos ultracurts interactuen amb els materials. Com s'ha esmentat anteriorment, quan es parla de LDT, la durada del pols ultraràpid és més ràpida que l'escala de temps de la difusió tèrmica a la xarxa del material. Els làsers ultraràpids produeixen una zona afectada per la calor molt més petita que els làsers polsats de nanosegons, donant lloc a una menor pèrdua de tall i un processament més precís. Aquest principi també s'aplica a aplicacions mèdiques, on l'augment de la precisió del tall làser ultraràpid ajuda a minimitzar el dany al teixit circumdant i millora l'experiència del pacient durant la cirurgia làser.
Polsos d'atosegons: el futur dels làsers ultra ràpids
A mesura que la investigació sobre els làsers ultraràpids avança, s'estan desenvolupant fonts de llum noves i millorades amb durades de pols més curtes. Per obtenir informació sobre els processos físics més ràpids, molts investigadors s'estan centrant en la generació de polsos d'atosegons: en el rang de longitud d'ona ultraviolada extrema (XUV), els polsos d'atosegons són d'uns 10-18 s. Els polsos d'atosegons permeten el seguiment del moviment d'electrons i milloren la nostra comprensió de l'estructura electrònica i la mecànica quàntica. Tot i que la integració dels làsers d'atosegon XUV en els processos industrials encara no ha guanyat una tracció significativa, la investigació en curs i els avenços en el camp gairebé segur que impulsaran aquesta tecnologia fora del laboratori i cap a la fabricació, com ha estat el cas de les fonts làser de femtosegons i picosegons.
