Ultra Hızlı Lazerlerin Benzersiz Özellikleri
Ultra hızlı lazerlerin ultra kısa darbe süreleri, bu sistemlere onları uzun darbeli veya sürekli dalga (CW) lazerlerden ayıran benzersiz özellikler kazandırır. Bu tür kısa darbeleri üretmek için geniş bir spektral bant genişliği gereklidir. Darbe şekli ve merkez dalga boyu, belirli bir süreye sahip bir darbe üretmek için gereken minimum bant genişliğini belirler. Tipik olarak bu ilişki belirsizlik ilkesinden türetilen zaman bant genişliği çarpımı (TBP) ile tanımlanır. Gauss dağıtılmış bir darbenin TBP'si şu şekilde verilir:
TBPGaussian{{0}}ΔτΔν≈0,441
Δτ darbe süresi ve Δv frekans bant genişliğidir. Temel olarak denklem, spektral bant genişliği ile darbe süresi arasında ters bir ilişki olduğunu gösterir; bu, darbe süresi azaldıkça, bu darbeyi oluşturmak için gereken bant genişliğinin arttığı anlamına gelir. Şekil 1, birkaç farklı darbe süresini desteklemek için gereken minimum bant genişliğini göstermektedir.
Şekil 1: 10 ps (yeşil), 500 fs (mavi) ve 50 fs (kırmızı) lazer darbelerini desteklemek için gereken minimum spektral bant genişliği
Şekil 2: Darbe süresi t olan bir lazer için ortalama güç Pavg ve tepe gücü Ppeak'in gösterimi
Ultra hızlı lazerlerin teknik zorlukları
Ultra hızlı lazerlerin geniş spektral bant genişliği, yüksek tepe gücü ve kısa darbe süresi sisteminizde uygun şekilde yönetilmelidir. Genellikle bu zorlukların üstesinden gelinmesi en kolay olanlarından biri lazerin geniş spektrumlu çıktısıdır. Geçmişte öncelikle daha uzun atımlı veya sürekli dalga lazerleri kullandıysanız, mevcut optik envanteriniz ultra hızlı atımların tüm bant genişliğini yansıtma veya iletme kapasitesine sahip olmayabilir.
Lazer Hasar Eşiği
Ultra hızlı optikler aynı zamanda geleneksel lazer kaynaklarına göre çok daha farklı ve yönlendirilmesi daha zor bir lazer hasarı eşiğine (LDT) sahiptir (Şekil 3). Nanosaniye darbeli lazerler için optik sağlarken, LDT değerleri genellikle 5-10 J/cm2 mertebesindedir. Ultra hızlı optikler için bu büyüklükteki değerler neredeyse hiç duyulmamıştır, çünkü LDT değerleri daha çok şu mertebededir:<1 J/cm2, usually closer to 0.3 J/cm2.
Farklı darbe süreleri için LDT genliğindeki önemli değişiklik, darbe süresine dayalı lazer hasar mekanizmasının bir sonucudur. Nanosaniyelik lazerler veya daha uzun darbeli lazerler için hasara yol açan birincil mekanizma termal ısınmadır. Optiklerin kaplama ve alt katman malzemeleri gelen fotonları emer ve ısınır. Bu, malzeme kafesinin bozulmasına yol açabilir. Termal genleşme, çatlama, erime ve kafes gerilimi gibi etkiler bu tür lazer kaynakları için yaygın termal hasar mekanizmalarıdır.
Şekil 3: Burada gösterildiği gibi optik yüzeylere verilen lazer hasarı, lazer sisteminin performansını düşürerek onu işe yaramaz ve hatta tehlikeli hale getirebilir. Kısa atım süresi nedeniyle, ultra hızlı lazerlerin kullanılması sırasındaki hasar mekanizmaları, daha uzun atımlı lazerlerin kullanılmasından önemli ölçüde farklıdır.
Bununla birlikte, ultra hızlı lazerlerde darbe süresinin kendisi, lazerden malzeme kafesine ısı transferinin zaman ölçeğinden daha hızlıdır ve bu nedenle termal etkiler, lazer kaynaklı hasarın birincil nedeni değildir (Şekil 4). Bunun yerine, ultra hızlı lazerin tepe gücü, hasar mekanizmasını çoklu foton soğurma ve iyonizasyon gibi doğrusal olmayan süreçlere dönüştürür. Bu nedenle nanosaniyelik bir darbenin LDT derecesini ultra hızlı bir darbeninkine basitçe düşürmek mümkün değildir çünkü hasarın fiziksel mekanizmaları farklıdır. Bu nedenle, aynı kullanım koşulları altında (örn. dalga boyu, darbe süresi ve tekrarlama frekansı), yeterince yüksek LDT derecesine sahip bir optik, özel uygulamanız için en iyi optik olacaktır. Farklı koşullar altında test edilen optikler, bir sistemdeki aynı optiğin gerçek performansını temsil etmez.
Şekil 4: Farklı darbe süreleri için lazer kaynaklı hasar mekanizmaları
Dağılım ve Darbe Uzantısı: Grup Gecikme Dağılımı
Ultra hızlı lazerleri kullanırken karşılaşılan en zor teknik zorluklardan biri, lazerin başlangıçta yaydığı ultra kısa darbenin süresini korumaktır. Ultra hızlı darbeler zaman sapmalarına karşı çok hassastır ve bu da darbenin daha uzun olmasına neden olur. Bu etki, başlangıçtaki darbe süresi kısaldıkça daha da kötüleşir. Ultra hızlı lazerler 50 saniyelik süreli darbeler yayabilirken, darbeyi hedef konuma iletmek için aynalar ve mercekler kullanarak darbeyi zaman içinde genişletmek, hatta darbeyi sadece hava yoluyla iletmek mümkündür.
Bu zaman bozulması, ikinci dereceden dağılım olarak da bilinen grup gecikme dağılımı (GDD) adı verilen bir ölçüm kullanılarak ölçülür. Aslında, ultra hızlı lazer darbelerinin zamansal dağılımını etkileyebilecek daha yüksek dereceli dağılım terimleri de vardır, ancak pratikte genellikle GDD'nin etkisini incelemek yeterlidir. GDD, belirli bir malzemenin kalınlığına göre doğrusal olarak ölçeklenen frekansa bağlı bir değerdir. Lens, pencere ve objektif lens düzenekleri gibi iletim optikleri tipik olarak pozitif GDD değerlerine sahiptir; bu, darbenin bir kez sıkıştırıldığında iletim optiklerine lazer sistemi tarafından yayılan darbeden daha uzun bir darbe süresi verebileceğini gösterir. Düşük frekanslı (yani daha uzun dalga boylu) bileşenler, yüksek frekanslı (yani daha kısa dalga boylu) bileşenlerden daha hızlı yayılır. Nabız giderek daha fazla maddede ilerledikçe, nabzın dalga boyları zamanda daha da uzağa yayılmaya devam edecektir. Daha kısa darbe süreleri ve dolayısıyla daha geniş bant genişlikleri için bu etki daha da abartılır ve önemli darbe süresi bozulmasına yol açabilir.
Nanosaniye ve hatta pikosaniyelik darbe sürelerine sahip daha uzun darbeler için GDD önemli bir sorun değildir. Bununla birlikte, daha kısa femtosaniye darbeleri için, ışın yoluna 10 mm kalınlığında bir N-BK7 parçası yerleştirmek bile, 800 nm'de ortalanmış 50 fs darbeyi %12'den fazla genişletebilir; bu, kabaca iki pencere veya filtre yerleştirmeye eşdeğerdir. ışın yolu.
GDD'nin bir uygulama üzerindeki etkisi, giriş darbe süresi (τgiriş), merkez frekansı (veya dalga boyu) ve darbenin içinden geçtiği malzeme dahil olmak üzere çeşitli faktörlere bağlıdır.
Denklem (2), aynı GDD değeri için, daha kısa bir darbe süresinin, daha uzun bir giriş darbe süresine göre daha önemli ölçüde genişleyeceğini açıkça göstermektedir. GDD'nin nanosaniye veya pikosaniye darbeleri bağlamında tartışılmamasının nedeni budur. Örneğin, yalnızca 20,000 fs2'lik bir GDD, 1ps darbesini %0,2 oranında genişletebilir. Aşağıdaki paragraflardaki örnekler, bunun 1030 nm'lik bir darbenin 1 m'den fazla erimiş silikaya yayılmasına eşdeğer olduğunu göstermektedir.
Bir malzemenin kırılma indisi, içinden geçen ışığın frekansına bağlıdır ve GDD'nin de kırılma indisine benzer bir bağımlılığı vardır. Ultra hızlı sistemler için iletim ve kırılma optiklerini seçerken, görünür ve yakın kızılötesi dalga boyu aralıklarında en düşük GDD değerlerinden birine sahip olduğundan erimiş silika sıklıkla tavsiye edilir. Örneğin, 1030 nm'lik bir darbenin 1 mm erimiş silika boyunca yayılması, yaklaşık 19 fs2'lik bir GDD üretecektir, ancak aynı dalga boyunda, 1 mm SF11, 125 fs2'den fazla bir GDD ile sonuçlanacaktır. Kırılma indeksi gibi veritabanları kırılma indeksi .info, ışın yolu seçiminde hangi malzemenin en iyi optik olduğunu belirlemek için yararlı bir kaynaktır ve birikmiş GDD'niz de yararlı bir kaynaktır.
Bu pozitif GDD eğilimi ve zaman bükülmesi nedeniyle, çok az ek GDD üreten veya hiç üretmeyen özel ultra hızlı optiklerin kullanılması şiddetle tavsiye edilir, böylece daha uzun darbe süreleri fırsatını azaltır.
Darbe sıkıştırmasına ihtiyacınız olup olmadığını nasıl anlarsınız?
Lazer darbesini ne zaman (yeniden) sıkıştırmanız gerekir? Çoklu foton mikroskobu gibi ultra hızlı görüntüleme uygulamalarında bulanık görüntüler, darbenin zaman içinde uzayabileceğini gösterir. Ultra hızlı lazer işlemede darbe uzatma, kesme doğruluğunun ve hassasiyetinin azalmasına neden olabilir. Uzatılmış darbe süresi, çoklu foton etkileşimlerinin olasılığını azaltır, bu da ultra hızlı sistemin verimliliğini azaltır. Her durum için katı ve hızlı kurallar sağlamak mümkün olmasa da aşağıdaki örnek hesaplamalar, darbe sıkıştırmasının gerekli olup olmadığını belirlemek için bazı en iyi uygulamaların gösterilmesine yardımcı olur.
Şekil 5'te gösterildiği gibi ışın yoluna sahip bir multifoton mikroskop kurulumunu düşünün.
Şekil 5: Çoklu foton mikroskopi deneyinde ışın yolunun örnek şeması
Lazer numuneye ulaşmadan önce sistemdeki tüm elemanların GDD katkılarının toplanmasıyla darbe genişlemesinin birinci dereceden bir yaklaşımı elde edilebilir. Dağılıma ana katkı sağlayanların ışın genişletici, dikroik filtreler ve odaklanma hedefi olduğunu varsayalım. Genellikle düşük GDD metal kaplamalardan yapıldıkları için tarama aynalarının etkisini göz ardı edeceğiz. Darbe 1030 nm dalga boyunda ortalanırsa sistem kolaylıkla 600 fs2'den fazla GDD ekleyebilir.
Sistemdeki darbenin sıkıştırılması gerekip gerekmediği, giriş darbe süresine ve uygulamanın özel ihtiyaçlarına bağlıdır. 150fs'lik bir darbeyle başlarsanız, optik aracılığıyla yapılan iletimin darbe süresi üzerinde ihmal edilebilir bir etkisi olacaktır. Bununla birlikte, uygulamanız yalnızca 10 fs'lik bir lazer darbesiyle elde edilebilecek bir zamansal çözünürlük gerektiriyorsa, bu durumda GDD'nin bu miktarı, başlangıçtaki darbenizin yaklaşık 167 fs'ye kadar genişlemesine neden olacaktır. Bu durumda yeniden sıkıştırma gerekir. Bu kesin ayrıntılar büyük ölçüde sizin özel ışın yolunuza ve uygulamanıza bağlıdır.
Ultra Hızlı Lazer Uygulamaları
Spektroskopi
Spektroskopi, ultra hızlı lazer ışık kaynaklarının piyasaya sürülmesinden bu yana ana uygulama alanlarından biri olmuştur. Darbe sürelerini femtosaniyelere ve hatta attosaniyelere düşürerek fizik, kimya ve biyolojide tarihsel olarak gözlemlenmesi imkansız olan dinamik süreçler artık mümkün. Anahtar süreçlerden biri atomik harekettir ve bunun gözlemlenmesi, fotosentetik proteinlerdeki moleküler titreşim, moleküler ayrışma ve enerji aktarımı gibi temel süreçlerin bilimsel olarak anlaşılmasını geliştirmiştir.
Biyogörüntüleme
Yüksek tepe gücüne sahip ultra hızlı lazerler, doğrusal olmayan süreçleri destekler ve multifoton mikroskopi gibi biyogörüntüleme için çözünürlüğü artırır (Şekil 12). Çoklu fotonlu bir sistemde, biyolojik bir ortamdan veya floresan hedeften doğrusal olmayan bir sinyal üretmek için iki fotonun uzay ve zamanda örtüşmesi gerekir. Bu doğrusal olmayan mekanizma, tek fotonlu işlemlere ilişkin çalışmaları rahatsız eden arka plan floresan sinyalini önemli ölçüde azaltarak görüntüleme çözünürlüğünü artırır. Şekil 13 bu basitleştirilmiş sinyal arka planını göstermektedir. Multifoton mikroskobunun daha küçük uyarma bölgesi aynı zamanda fototoksisiteyi önler ve numuneye verilen zararı en aza indirir.
Şekil 6: Multiphoton veya doğrusal olmayan mikroskopi, geleneksel konfokal mikroskopi tekniklerine kıyasla azaltılmış foto-ağartma ve fototoksisite ile yüksek çözünürlüklü üç boyutlu (3D) görüntüler yakalamak için ultra hızlı bir lazer kaynağı kullanır.
Şekil 7: İki fotonlu, iki fotonlu (üst) ve tek fotonlu (alt) mikroskopi sisteminin sinyal konumu gösterimi. İki fotonun ürettiği örtüşme, daha küçük bir uyarılma hacmine neden olurken, tek foton sinyali, odak düzleminin dışından gelen arka plan sinyalinden etkilenir.
Lazer malzeme işleme
Ultra hızlı lazer kaynakları, ultra kısa darbelerin malzemelerle etkileşime girdiği benzersiz yöntem nedeniyle, lazer mikro işleme ve malzeme işlemede de devrim yarattı. Daha önce de belirtildiği gibi, LDT'yi tartışırken, ultra hızlı darbe süresi, malzeme kafesine termal difüzyonun zaman ölçeğinden daha hızlıdır. Ultra hızlı lazerler, nanosaniye darbeli lazerlere göre çok daha küçük, ısıdan etkilenen bir bölge üreterek daha düşük çentik kaybı ve daha hassas işleme sağlar. Bu prensip aynı zamanda ultra hızlı lazer kesimin artan hassasiyetinin çevredeki dokuya verilen hasarı en aza indirmeye ve lazer ameliyatı sırasında hasta deneyimini iyileştirmeye yardımcı olduğu tıbbi uygulamalar için de geçerlidir.
Attosaniye darbeleri: ultra hızlı lazerlerin geleceği
Ultra hızlı lazerlerin geliştirilmesine yönelik araştırmalar devam ederken, daha kısa darbe süreli yeni ve geliştirilmiş ışık kaynakları geliştirilmektedir. Daha hızlı fiziksel süreçler hakkında bilgi edinmek için birçok araştırmacı attosaniye darbelerinin üretilmesine odaklanıyor - aşırı ultraviyole (XUV) dalga boyu aralığında, attosaniye darbeleri yaklaşık 10-18 s'dir. Attosaniye darbeleri elektron hareketinin izlenmesine olanak tanır ve elektronik yapı ve kuantum mekaniği anlayışımızı geliştirir. XUV attosaniye lazerlerin endüstriyel süreçlere entegrasyonu henüz önemli bir ilgi görmemiş olsa da, alanda devam eden araştırmalar ve ilerlemeler, femtosaniye ve pikosaniye lazer kaynaklarında olduğu gibi, neredeyse kesinlikle bu teknolojiyi laboratuvarın dışına ve üretime itecektir.
