უნიკალური ულტრასწრაფი ლაზერი, მეორე ნაწილი

უნიკალურიულტრასწრაფი ლაზერიმეორე ნაწილი

დისპერსია და იმპულსის გავრცელება: ჯგუფური დაყოვნების დისპერსია
ულტრასწრაფი ლაზერების გამოყენებისას ერთ-ერთი ყველაზე რთული ტექნიკური გამოწვევაა თავდაპირველად გამოსხივებული ულტრამოკლე იმპულსების ხანგრძლივობის შენარჩუნება.ლაზერიულტრასწრაფი იმპულსები ძალიან მგრძნობიარეა დროის დამახინჯების მიმართ, რაც იმპულსებს უფრო ხანგრძლივს ხდის. ეს ეფექტი უარესდება საწყისი იმპულსის ხანგრძლივობის შემცირებასთან ერთად. მიუხედავად იმისა, რომ ულტრასწრაფ ლაზერებს შეუძლიათ 50 წამიანი იმპულსების გამოსხივება, მათი დროში გაძლიერება შესაძლებელია სარკეებისა და ლინზების გამოყენებით იმპულსის სამიზნე ადგილას გადასაცემად, ან თუნდაც უბრალოდ იმპულსის ჰაერით გადაცემით.

ეს დროის დამახინჯება რაოდენობრივად განისაზღვრება ჯგუფური დაგვიანებული დისპერსიის (GDD) საზომით, რომელიც ასევე ცნობილია, როგორც მეორე რიგის დისპერსია. სინამდვილეში, არსებობს ასევე უფრო მაღალი რიგის დისპერსიის პირობები, რომლებმაც შეიძლება გავლენა მოახდინონ ულტრაფარტ-ლაზერული იმპულსების დროის განაწილებაზე, მაგრამ პრაქტიკაში, როგორც წესი, საკმარისია მხოლოდ GDD-ის ეფექტის შესწავლა. GDD არის სიხშირეზე დამოკიდებული მნიშვნელობა, რომელიც წრფივად პროპორციულია მოცემული მასალის სისქისა. გამტარი ოპტიკა, როგორიცაა ლინზის, ფანჯრის და ობიექტივის კომპონენტები, როგორც წესი, აქვს დადებითი GDD მნიშვნელობები, რაც მიუთითებს, რომ ერთხელ შეკუმშული იმპულსები შეიძლება გამტარი ოპტიკას უფრო ხანგრძლივი იმპულსის მიცემას აძლევდეს, ვიდრე გამოსხივებული იმპულსები.ლაზერული სისტემებიდაბალი სიხშირის (ანუ უფრო გრძელი ტალღის სიგრძის) კომპონენტები უფრო სწრაფად ვრცელდება, ვიდრე მაღალი სიხშირის (ანუ უფრო მოკლე ტალღის სიგრძის) კომპონენტები. როდესაც იმპულსი სულ უფრო მეტ მატერიაში გადის, იმპულსში ტალღის სიგრძე დროში უფრო და უფრო ფართოვდება. უფრო მოკლე იმპულსების ხანგრძლივობის და, შესაბამისად, უფრო ფართო ზოლების შემთხვევაში, ეს ეფექტი კიდევ უფრო გაზვიადებულია და შეიძლება გამოიწვიოს იმპულსის დროის მნიშვნელოვანი დამახინჯება.

ულტრასწრაფი ლაზერული აპლიკაციები
სპექტროსკოპია
ულტრასწრაფი ლაზერული წყაროების გამოჩენის შემდეგ, სპექტროსკოპია მათი ერთ-ერთი მთავარი გამოყენების სფერო გახდა. იმპულსის ხანგრძლივობის ფემტოწამებამდე ან თუნდაც ატოწამებამდე შემცირებით, ამჟამად შესაძლებელია ფიზიკაში, ქიმიასა და ბიოლოგიაში დინამიური პროცესების მიღწევა, რომელთა დაკვირვებაც ისტორიულად შეუძლებელი იყო. ერთ-ერთი მთავარი პროცესია ატომის მოძრაობა და ატომის მოძრაობის დაკვირვებამ გააუმჯობესა ისეთი ფუნდამენტური პროცესების სამეცნიერო გაგება, როგორიცაა მოლეკულური ვიბრაცია, მოლეკულური დისოციაცია და ენერგიის გადაცემა ფოტოსინთეზურ ცილებში.

ბიოვიზუალიზაცია
პიკური სიმძლავრის ულტრასწრაფი ლაზერები მხარს უჭერენ არაწრფივ პროცესებს და აუმჯობესებენ გარჩევადობას ბიოლოგიური ვიზუალიზაციისთვის, როგორიცაა მრავალფოტონიანი მიკროსკოპია. მრავალფოტონიან სისტემაში, ბიოლოგიური გარემოდან ან ფლუორესცენტული სამიზნიდან არაწრფივი სიგნალის გენერირებისთვის, ორი ფოტონი უნდა გადაფაროს სივრცესა და დროში. ეს არაწრფივი მექანიზმი აუმჯობესებს ვიზუალიზაციის გარჩევადობას ფონური ფლუორესცენციის სიგნალების მნიშვნელოვნად შემცირებით, რომლებიც აწუხებს ერთფოტონიანი პროცესების შესწავლას. ილუსტრირებულია გამარტივებული სიგნალის ფონი. მრავალფოტონიანი მიკროსკოპის უფრო მცირე აგზნების რეგიონი ასევე ხელს უშლის ფოტოტოქსიკურობას და მინიმუმამდე ამცირებს ნიმუშის დაზიანებას.

სურათი 1: სხივის ტრაექტორიის მაგალითი მრავალფოტონიანი მიკროსკოპის ექსპერიმენტში

ლაზერული მასალის დამუშავება
ულტრასწრაფმა ლაზერულმა წყაროებმა ასევე რევოლუცია მოახდინეს ლაზერული მიკროდამუშავებისა და მასალების დამუშავების სფეროში, ულტრამოკლე იმპულსების მასალებთან ურთიერთქმედების უნიკალური გზის გამო. როგორც ადრე აღვნიშნეთ, LDT-ის განხილვისას, ულტრასწრაფი იმპულსის ხანგრძლივობა უფრო სწრაფია, ვიდრე მასალის ბადეში სითბოს დიფუზიის დროის შკალა. ულტრასწრაფი ლაზერები წარმოქმნიან გაცილებით მცირე სითბოს ზემოქმედების ზონას, ვიდრენანოწამიანი პულსირებული ლაზერებირაც იწვევს ჭრილობის დროს დანაკარგების შემცირებას და უფრო ზუსტ დამუშავებას. ეს პრინციპი ასევე გამოიყენება სამედიცინო მიზნებისთვის, სადაც ულტრაფარტ-ლაზერული ჭრის გაზრდილი სიზუსტე ხელს უწყობს მიმდებარე ქსოვილების დაზიანების შემცირებას და აუმჯობესებს პაციენტის გამოცდილებას ლაზერული ოპერაციის დროს.

ატოწამიანი იმპულსები: ულტრასწრაფი ლაზერების მომავალი
ულტრასწრაფი ლაზერების განვითარების კვლევებთან ერთად, მუშავდება ახალი და გაუმჯობესებული სინათლის წყაროები უფრო მოკლე იმპულსების ხანგრძლივობით. უფრო სწრაფი ფიზიკური პროცესების უკეთ გასაგებად, ბევრი მკვლევარი ყურადღებას ამახვილებს ატოწამიანი იმპულსების გენერირებაზე - დაახლოებით 10-18 წმ უკიდურეს ულტრაიისფერ (XUV) ტალღის სიგრძის დიაპაზონში. ატოწამიანი იმპულსები საშუალებას იძლევა თვალყური ადევნოთ ელექტრონების მოძრაობას და გააუმჯობესოთ ჩვენი გაგება ელექტრონული სტრუქტურისა და კვანტური მექანიკის შესახებ. მიუხედავად იმისა, რომ XUV ატოწამიანი ლაზერების სამრეწველო პროცესებში ინტეგრაციას ჯერ კიდევ არ მიუღწევია მნიშვნელოვანი პროგრესი, ამ სფეროში მიმდინარე კვლევები და მიღწევები თითქმის დანამდვილებით გამოიწვევენ ამ ტექნოლოგიის ლაბორატორიიდან წარმოებაში გადაყვანას, როგორც ეს მოხდა ფემტოწამიანი და პიკოწამიანი ლაზერების შემთხვევაში.ლაზერული წყაროები.