Gnéithe Uathúla Léasair Ultrafast
Tugann tréimhsí cuisle ultra-ghearr na léasair ultrafast saintréithe uathúla do na córais seo a dhéanann idirdhealú idir iad agus léasair chuisle fhada nó tonnta leanúnaí (CW). Chun bíoga gearra den sórt sin a ghiniúint, tá bandaleithead leathan speictreach ag teastáil. Socraíonn cruth na bíge agus tonnfhad an ionaid an bandaleithead íosta is gá chun bíog a bhfuil fad sainiúil aige a tháirgeadh. De ghnáth, déantar cur síos ar an gcaidreamh seo leis an táirge bandaleithead ama (TBP), a dhíorthaítear ó phrionsabal na neamhchinnteachta. Tugtar an TBP de chuisle dáilte Gaussach le.
TBPGaussian{{0}}ΔτΔν≈0.441
Is é Δτ fad na bíge agus is é Δv an bandaleithead minicíochta. Go bunúsach, taispeánann an chothromóid go bhfuil gaol inbhéartach idir bandaleithead speictreach agus fad bíge, rud a chiallaíonn de réir mar a thagann laghdú ar fhad na bíge, go dtiocfaidh méadú ar an bandaleithead atá ag teastáil chun an chuisle sin a ghiniúint. Léiríonn Fíor 1 an bandaleithead íosta is gá chun tacú le roinnt tréimhsí bíge éagsúla.
Fíor 1: An bandaleithead speictreach íosta a theastaíonn chun bíoga léasair 10 ps (glas), 500 fs (gorm) agus 50 fs (dearg) a thacú
Fíor 2: Léiriú ar an meánchumhacht Pavg agus Ppeak buaicchumhachta do léasair a bhfuil fad bíge aige t
Dúshláin theicniúla a bhaineann le léasair ultrafast
Ní mór bandaleithead leathan speictreach, buaicchumhacht ard agus fad bíge gearr léasair ultrafast a bhainistiú i gceart i do chóras. Go minic, ceann de na dúshláin is fusa le tabhairt faoi ná aschur leathan-speictrim an léasair. Má bhain tú úsáid go príomha as léasair níos faide bíogacha nó tonnta leanúnacha san am a chuaigh thart, b'fhéidir nach mbeidh d'fhardal snáthoptaice reatha in ann bandaleithead iomlán na bíoga ultrafast a léiriú nó a tharchur.
Tairseach Damáiste Léasair
Tá tairseach damáiste léasair (LDT) i bhfad níos difriúil ag optaic ultrafast freisin ná mar a bhíonn foinsí léasair níos traidisiúnta (Fíor 3). Nuair a bhíonn optaic ar fáil do léasair-bhogacha nanascoicindí, is gnách go mbíonn luachanna LDT de réir ord 5-10 J/cm2. Maidir le snáthoptaice ultrafast, is beag nár chualamar luachanna den mhéid seo, toisc gur dóichí go mbeidh luachanna LDT ar an ord<1 J/cm2, usually closer to 0.3 J/cm2.
Tá an éagsúlacht shuntasach in aimplitiúid LDT ar feadh tréimhsí bíge éagsúla mar thoradh ar mheicníocht damáiste léasair bunaithe ar fhad bíge. I gcás léasair nan-na-aicindí nó léasair bíogacha níos faide, is é téamh teirmeach an phríomh-mheicníocht as a dtagann damáiste. Ionsúnn ábhair bhrataithe agus tsubstráit na snáthoptaice na fótóin theagmhasacha agus teasaíonn siad. D'fhéadfadh saobhadh ar an ábhar laitíse a bheith mar thoradh air seo. Is meicníochtaí damáiste teirmeach coitianta do na foinsí léasair seo iad éifeachtaí mar leathnú teirmeach, scoilteadh, leá agus brú laitíse.
Fíor 3: Is féidir le damáiste léasair do dhromchlaí optúla, mar a thaispeántar anseo, feidhmíocht chórais léasair a dhíghrádú, rud a fhágann go bhfuil sé gan úsáid nó fiú contúirteach. Mar gheall ar achar gearr na bíge, tá difríocht shuntasach idir na meicníochtaí damáiste nuair a bhíonn léasair ultrafast á n-úsáid agus iad siúd nuair a bhíonn léasair níos faide-pulse á n-úsáid.
Mar sin féin, le léasair ultrafast, tá fad na bíge féin níos tapúla ná an scála ama aistrithe teasa ón léasair go dtí an laitís ábhartha, agus mar sin ní éifeachtaí teirmeacha an phríomhchúis le damáiste léasair-spreagtha (Fíor 4). Ina áit sin, athraíonn buaicchumhacht an léasair ultrafast an mheicníocht damáiste go próisis neamhlíneacha mar ionsú multiphoton agus ianú. Sin é an fáth nach féidir rátáil LDT de chuisle nanosecond a laghdú go díreach go dtí bíog ultrafast, toisc go bhfuil meicníochtaí fisiceacha an damáiste difriúil. Dá bhrí sin, faoi na coinníollacha úsáide céanna (m.sh., tonnfhad, fad bíge, agus minicíocht athrá), beidh snáthoptaice le rátáil LDT sách ard ar an snáthoptaice is fearr le haghaidh d’iarratas ar leith. Níl na snáthoptaice a ndéantar tástáil orthu faoi choinníollacha éagsúla ionadaíoch ar fheidhmíocht iarbhír na n-optaice céanna i gcóras.
Fíor 4: Meicníochtaí damáiste spreagtha le léasair do thréimhsí éagsúla bíge
Scaipeadh agus Síneadh Pulse: Scaipeadh Moill Grúpa
Ceann de na dúshláin theicniúla is deacra a bhíonn le sárú agus léasair ultrafast á n-úsáid ná fad na bíge ultrashort a astaíonn an léasair ar dtús a choinneáil. Tá bíoga ultrafast an-so-ghabhálach i leith aberrations ama, a dhéanann an chuisle níos faide. Éiríonn an éifeacht seo níos measa de réir mar a ghiorrú an ré cuisle tosaigh. Cé gur féidir le léasair ultrafast bíoga a astú ar feadh tréimhsí 50 soicind, is féidir an chuisle a leathnú in am trí scátháin agus lionsaí a úsáid chun an chuisle a sheachadadh chuig an spriocshuíomh, nó fiú an chuisle a tharchur tríd an aer.
Déantar an saobhadh ama seo a chainníochtú trí úsáid a bhaint as méadrach ar a dtugtar scaipeadh moille grúpa (GDD), ar a dtugtar scaipeadh dara hordú freisin. Go deimhin, tá téarmaí scaipthe ard-ord ann freisin a d'fhéadfadh tionchar a bheith acu ar dháileadh ama na bíoga léasair ultrafast, ach go praiticiúil is leor é éifeacht GDD a scrúdú. Is luach minicíocht-spleách é GDD a scálaíonn go líneach le tiús ábhair ar leith. Is gnách go mbíonn luachanna GDD dearfacha ag optaic tarchurtha ar nós lionsaí, fuinneoige agus tionóil lionsa oibiachtúla, rud a thugann le fios gur féidir leis an gcuis a bheith comhbhrúite níos faide ná an chuisle a astaíonn an córas léasair don optaic tarchuir. Iomadaíonn comhpháirteanna minicíochta níos ísle (ie, tonnfhad níos faide) níos tapúla ná comhpháirteanna minicíochta níos airde (ie, tonnfhad níos giorra). De réir mar a théann an chuisle trí ábhar níos mó agus níos mó, leanfaidh na tonnfhaid sa chuisle ag síneadh níos faide agus níos faide in am. I gcás tréimhsí bíge níos giorra, agus mar sin bandaleithead níos leithne, déantar áibhéil bhreise ar an éifeacht seo agus is féidir go dtiocfadh saobhadh suntasach ar am bíge.
I gcás bíoga níos faide a bhfuil nana-deicind nó fiú tréimhsí bíge picosecond acu, ní ceist mhór í GDD. Le haghaidh bíoga femtosecond níos giorra, áfach, is féidir fiú píosa 10 mm tiubh de N-BK7 a chur ar an gcosán bíomaí bíoga 50 fs dírithe ar 800 nm a leathnú níos mó ná 12%, atá comhionann go garbh le dhá fhuinneog nó scagairí a chur sa cosán bhíoma.
Braitheann tionchar GDD ar fheidhmchlár ar roinnt fachtóirí, lena n-áirítear fad bíge an ionchuir (τionchur), minicíocht an ionaid (nó tonnfhad), agus an t-ábhar trína iomadaíonn an chuisle.
Léiríonn cothromóid (2) go soiléir go leathnóidh ré bíge níos giorra ná fad bíge ionchuir níos faide don luach céanna GDD. Sin é an fáth nach bpléitear GDD i gcomhthéacs na bíoga nanosecond nó picosecond. Mar shampla, is féidir le GDD de 20,000 fs2 bíog 1ps a leathnú 0.2%. Léiríonn na samplaí sna hailt seo a leanas go bhfuil sé seo comhionann le bíog 1030 nm a iomadú isteach níos mó ná 1 m de shilice comhleáite.
Braitheann comhéifeacht athraonta ábhair ar mhinicíocht an tsolais a théann tríd, agus tá spleáchas comhchosúil ag GDD ar innéacs athraonta. Agus optaic tarchurtha agus athraonta á roghnú do chórais ultrafast, is minic a mholtar shilice comhleáite toisc go bhfuil ceann de na luachanna GDD is ísle aige sna raonta tonnfhaid infheicthe agus gar-infridhearg. Mar shampla, trí chuisle 1030 nm a iomadú trí 1 mm de shilice comhleáite beidh GDD de thart ar 19 fs2 , ach ag an tonnfhad céanna, beidh GDD de níos mó ná 125 fs2 mar thoradh ar GDD de níos mó ná 125 fs2 bunachair shonraí innéacs athraonta, mar shampla refractivendex. .info, is acmhainn úsáideach iad chun a chinneadh cén t-ábhar a bhfuil an optaic is fearr le húsáid i rogha conairí bíomaí, agus is acmhainn úsáideach é do GDD carntha.
Mar gheall ar an treocht seo de GDD dearfach agus cogadh ama, tá sé molta go mór úsáid a bhaint as optaic ultrafast speisialaithe a tháirgeann beagán GDD breise, rud a laghdóidh an deis le haghaidh tréimhsí fada bíge.
Conas a bheidh a fhios agat an bhfuil comhbhrú cuisle uait?
Cathain is gá duit cuisle léasair a (ath)chomhbhrú? In iarratais íomháithe ultrafast cosúil le micreascópacht multiphoton, léiríonn íomhánna doiléir go bhféadfaí an chuisle a shíneadh in am. I bpróiseáil léasair ultrafast, is féidir le cruinneas gearrtha laghdaithe agus cruinneas a bheith mar thoradh ar shíneadh cuisle. Laghdaíonn fad bíge sínte an dóchúlacht go mbeidh idirghníomhaíochtaí ilfótóin ann, rud a laghdaíonn éifeachtúlacht an chórais ultrafast. Cé nach féidir rialacha dochta agus meara a sholáthar do gach cás, cuidíonn na háirimh shamplacha seo a leanas le roinnt dea-chleachtais a léiriú chun a chinneadh an bhfuil gá le comhbhrú bíge.
Smaoinigh ar shocrú micreascóp multiphoton le cosán bíoma mar a thaispeántar i bhFíor 5.
Figiúr 5: Sampla scéimreach de chonair an bhíoma i dturgnamh micreascópachta multifótóin
Is féidir comhfhogasú céad-ordú ar leathnú na bíge a fháil trí ranníocaíochtaí GDD na n-eilimintí uile sa chóras a achoimriú sula sroicheann an léasair an sampla. Glacaimid leis gurb iad na príomh-rannpháirtithe don scaipeadh ná an leathaitheoir bhíoma, na scagairí déchróiceacha agus an cuspóir fócasach. Déanfaimid neamhaird d'éifeacht na scátháin scanadh ós rud é go ndéantar iad de ghnáth le bratuithe miotail GDD íseal. Má tá an chuisle dírithe ar thonnfhad 1030 nm, is féidir leis an gcóras níos mó ná 600 fs2 de GDD a chur leis go héasca.
Braitheann cibé an gá nó nach gá an chuisle sa chóras a chomhbhrú ar fhad na bíge ionchuir agus ar riachtanais shonracha an iarratais. Má thosaíonn tú le bíog 150fs, beidh tionchar diomaibhseach ag an tarchur tríd an optaic ar fhad na bíge. Mar sin féin, má éilíonn d’iarratas taifeach ama nach féidir a bhaint amach ach le cuisle léasair 10 fs, ansin méadóidh an méid seo de GDD do chuisle tosaigh go dtí thart ar 167 fs. Sa chás seo, tá gá le recompression. Tá na sonraí beachta seo ag brath go mór ar do chosán bíoma ar leith agus ar do chur i bhfeidhm.
Feidhmchláir Léasair Ultrafast
Speictreascópacht
Tá speictreascópacht ar cheann de na príomhréimsí iarratais ar fhoinsí solais léasair ultrafast ó tugadh isteach iad. Trí réanna bíge a laghdú go femtoseconds nó fiú attoseconds, is féidir anois próisis dhinimiciúla san fhisic, sa cheimic agus sa bhitheolaíocht a bhí dodhéanta go stairiúil a thabhairt faoi deara. Ceann de na príomhphróisis is ea tairiscint adamhach, a bhfuil feabhas tagtha ar an tuiscint eolaíoch ar phróisis bhunúsacha mar chreathadh móilíneach, díthiomsú móilíneach agus aistriú fuinnimh i bpróitéiní fótaisintéise mar gheall ar a bhreathnóireacht.
Bithíomháú
Tacaíonn léasair ultra-luath le buaicchumhacht ard le próisis neamhlíneacha agus feabhsaítear réiteach le haghaidh bithíomháú, mar mhicreascópacht ilchótair (Fíor 12). I gcóras multiphoton, caithfidh dhá fhótón forluí sa spás agus san am chun comhartha neamhlíneach a ghiniúint ó mheán bitheolaíoch nó ó sprioc fluaraiseachta. Feabhsaíonn an mheicníocht neamhlíneach seo réiteach íomháithe trí laghdú suntasach a dhéanamh ar an comhartha fluaraiseachta cúlra a chuireann isteach ar staidéir ar phróisis aonfhótóin. Léiríonn Fíor 13 an cúlra comhartha simplithe seo. Coscann an réigiún excitation níos lú de mhicreascópacht multiphoton freisin fótatocsaineacht agus íoslaghdaíonn sé damáiste don sampla.
Figiúr 6: Úsáideann micreascópacht multifótón nó neamhlíneach foinse léasair ultrafast chun íomhánna tríthoiseach (3D) ardtaifigh a ghabháil le fóta-thuascadh laghdaithe agus fótatocsaineacht i gcomparáid le teicnící micreascópachta comhfhócacha traidisiúnta.
Fíor 7: Léiriú suíomh comhartha ar chóras micreascópachta dhá fhótón dhá fhótón (barr) agus aon fhótón (bun). Mar thoradh ar an bhforluí a tháirgeann an dá fhótón tá toirt excitation níos lú, agus bíonn tionchar ag an comhartha aon-fhótóin ar an comhartha cúlra ón taobh amuigh den eitleán fócasach.
Próiseáil ábhar léasair
Tá foinsí léasair ultrafast tar éis micrea-mheaisniú léasair agus próiseáil ábhar a réabhlóidiú freisin mar gheall ar an mbealach uathúil a idirghníomhaíonn bíoga ultrashort le hábhair. Mar a luadh cheana, nuair a bhíonn LDT á phlé, tá an ré cuisle ultrafast níos tapúla ná an scála ama idirleathadh teirmeach isteach sa laitís ábhartha. Táirgeann léasair ultrafast crios i bhfad níos lú a bhfuil tionchar teasa ag baint leis ná léasair nana-na-aicinn pulsed, rud a fhágann go gcailltear kerf níos ísle agus próiseáil níos cruinne. Tá feidhm ag an bprionsabal seo freisin maidir le hiarratais leighis, áit a gcabhraíonn cruinneas méadaithe gearradh léasair ultrafast le damáiste don fhíochán máguaird a íoslaghdú agus le feabhas a chur ar eispéireas an othair le linn máinliacht léasair.
bíoga Attosecond: todhchaí na léasair ultrafast
De réir mar a leanann taighde ar aghaidh le léasair ultrafast a chur chun cinn, tá foinsí solais nua agus feabhsaithe á bhforbairt le tréimhsí bíge níos giorra. Chun léargas a fháil ar phróisis fhisiceacha níos tapúla, tá go leor taighdeoirí ag díriú ar ghiniúint bíoga attosecond - sa raon tonnfhad ultraivialait mhór (XUV), tá bíoga attosecond thart ar 10-18 s. Ligeann bíoga Attosecond rianú a dhéanamh ar ghluaisne leictreon agus feabhsaíonn sé ár dtuiscint ar struchtúr leictreonach agus ar mheicnic chandamach. Cé nach bhfuil tarraingt suntasach bainte amach go fóill ag comhtháthú léasair XUV attosecond isteach i bpróisis thionsclaíocha, is cinnte go gcuirfidh taighde leanúnach agus dul chun cinn sa réimse an teicneolaíocht seo amach as an saotharlann agus isteach sa déantúsaíocht, mar a tharla le foinsí léasair femtosecond agus picosecond.
