תכונות ייחודיות של לייזרים מהירים במיוחד
משכי הפולסים הקצרים במיוחד של לייזרים מהירים במיוחד מעניקים למערכות אלו מאפיינים ייחודיים המבדילים אותן מלייזרים עם דופק ארוך או גל מתמשך (CW). על מנת להפיק פולסים קצרים כאלה, נדרש רוחב פס ספקטרלי רחב. צורת הדופק ואורך הגל המרכזי קובעים את רוחב הפס המינימלי הדרוש להפקת פולס של משך זמן מסוים. בדרך כלל, קשר זה מתואר על ידי תוצר רוחב הפס של הזמן (TBP), אשר נגזר מעיקרון אי הוודאות. ה-TBP של דופק מבוזר גאוס ניתן על ידי.
TBPGaussian{{0}}ΔτΔν≈0.441
Δτ הוא משך הפולס ו-Δv הוא רוחב הפס של התדר. בעיקרו של דבר, המשוואה מראה שיש קשר הפוך בין רוחב הפס הספקטרלי ומשך הפולס, מה שאומר שככל שמשך הפולס פוחת, רוחב הפס הנדרש ליצירת הפולס גדל. איור 1 ממחיש את רוחב הפס המינימלי הנדרש לתמיכה במספר משכי פולסים שונים.
איור 1: רוחב פס ספקטרלי מינימלי הנדרש לתמיכה בפולסי לייזר של 10 ps (ירוק), 500 fs (כחול) ו-50 fs (אדום).
איור 2: תיאור של הספק ממוצע Pavg ושל שיא הספק Ppeak עבור לייזר עם משך דופק t
אתגרים טכניים של לייזרים מהירים במיוחד
רוחב הפס הספקטרלי הרחב, הספק השיא הגבוה ומשך הדופק הקצר של לייזרים מהירים במיוחד חייבים להיות מנוהלים כראוי במערכת שלך. לעתים קרובות, אחד האתגרים הקלים ביותר לטיפול הוא הפלט רחב הספקטרום של הלייזר. אם השתמשת בעבר בעיקר בלייזרי גלים פולסים או מתמשכים ארוכים יותר, ייתכן שמלאי האופטיקה הקיים שלך לא יוכל לשקף או לשדר את רוחב הפס המלא של פולסים מהירים במיוחד.
סף נזקי לייזר
לאופטיקה מהירה במיוחד יש גם סף נזק לייזר (LDT) שונה משמעותית וקשה יותר לניווט מאשר מקורות לייזר מסורתיים יותר (איור 3). כאשר מספקים אופטיקה עבור לייזרים פולסים של ננו-שנייה, ערכי LDT הם בדרך כלל בסדר גודל של 5-10 J/cm2. עבור אופטיקה אולטרה-מהירה, ערכים בסדר גודל כזה כמעט ולא ידועים, מכיוון שערכי LDT נוטים יותר להיות בסדר גודל של<1 J/cm2, usually closer to 0.3 J/cm2.
השונות המשמעותית באמפליטודת LDT עבור משכי דופק שונים היא תוצאה של מנגנון נזקי הלייזר המבוסס על משך הדופק. עבור לייזרים ננו-שניות או לייזרים פולסים יותר, המנגנון העיקרי המוביל לנזק הוא חימום תרמי. חומרי הציפוי והמצע של האופטיקה סופגים את הפוטונים הנכנסים ומתחממים. זה יכול להוביל לעיוות של סריג החומר. השפעות כגון התפשטות תרמית, פיצוח, התכה ומתח סריג הם מנגנוני נזק תרמי נפוצים לסוגים אלה של מקורות לייזר.
איור 3: נזקי לייזר למשטחים אופטיים, כפי שמוצג כאן, עלולים לפגוע בביצועים של מערכת לייזר, ולהפוך אותה לחסרת תועלת או אפילו מסוכנת. בשל משך הדופק הקצר, מנגנוני הנזק בעת שימוש בלייזרים מהירים במיוחד שונים באופן משמעותי מאלה בעת שימוש בלייזרים בעלי דופק ארוך יותר.
עם זאת, בלייזרים מהירים במיוחד, משך הדופק עצמו מהיר יותר מסולם הזמן של העברת החום מהלייזר לסריג החומר, ולכן השפעות תרמיות אינן הגורם העיקרי לנזק שנגרם על ידי לייזר (איור 4). במקום זאת, עוצמת השיא של הלייזר האולטרה-מהיר הופך את מנגנון הנזק לתהליכים לא ליניאריים כגון קליטת מולטיפוטונים ויוננות. זו הסיבה שלא ניתן פשוט להקטין את דירוג ה-LDT של דופק ננו-שניות לזה של דופק מהיר במיוחד, מכיוון שמנגנוני הנזק הפיזיים שונים. לכן, באותם תנאי שימוש (למשל, אורך גל, משך דופק ותדירות חזרות), אופטיקה עם דירוג LDT גבוה מספיק תהיה האופטיקה הטובה ביותר עבור היישום הספציפי שלך. אופטיקה שנבדקה בתנאים שונים אינה מייצגת את הביצועים בפועל של אותה אופטיקה במערכת.
איור 4: מנגנוני נזק המושרה על ידי לייזר עבור משכי דופק שונים
פיזור והרחבת דופק: פיזור עיכוב קבוצתי
אחד האתגרים הטכניים הקשים ביותר שנתקלים בהם בעת שימוש בלייזרים מהירים במיוחד הוא שמירה על משך הדופק האולטרה-קצר הנפלט תחילה מהלייזר. פולסים מהירים במיוחד רגישים מאוד לאברציות בזמן, מה שמאריך את הדופק. השפעה זו מחמירה ככל שמשך הדופק הראשוני מתקצר. בעוד שלייזרים מהירים במיוחד יכולים לפלוט פולסים באורך של 50 שניות, אפשר להרחיב את הדופק בזמן על ידי שימוש במראות ועדשות כדי להעביר את הדופק למקום היעד, או אפילו רק כדי להעביר את הדופק באוויר.
עיוות זמן זה מכמת באמצעות מדד הנקרא פיזור עיכוב קבוצות (GDD), הידוע גם בשם פיזור מסדר שני. למעשה, ישנם גם מונחי פיזור מסדר גבוה יותר שעשויים להשפיע על ההתפלגות הטמפורלית של פולסי לייזר אולטרה-מהירים, אך בפועל די בדרך כלל לבחון את השפעת ה-GDD. GDD הוא ערך תלוי תדר שמתאר את קנה המידה באופן ליניארי עם העובי של חומר נתון. לאופטיקת שידור כמו עדשות, חלון ועדשות אובייקטיביות יש בדרך כלל ערכי GDD חיוביים, מה שמצביע על כך שלאחר דחיסת הדופק יכול להעניק לאופטיקה של השידור משך פולס ארוך יותר מהפולס הנפלט על ידי מערכת הלייזר. רכיבים בתדר נמוך יותר (כלומר, אורך גל ארוך יותר) מתפשטים מהר יותר ממרכיבים בתדר גבוה יותר (כלומר, אורך גל קצר יותר). ככל שהדופק עובר דרך עוד ועוד חומר, אורכי הגל בדופק ימשיכו להתרחב יותר ויותר בזמן. עבור משכי פולסים קצרים יותר, ולכן רוחבי פס רחבים יותר, השפעה זו מוגזמת עוד יותר ויכולה להוביל לעיוות משמעותי בזמן הדופק.
עבור פולסים ארוכים יותר עם משכי דופק ננו-שניות או אפילו פיקו-שניות, GDD אינו בעיה מרכזית. עם זאת, עבור פולסים קצרים יותר של פמט-שנייה, אפילו הצבת חתיכה בעובי של 10 מ"מ של N-BK7 בנתיב האלומה יכולה להרחיב פעימה של 50 fs שמרכזו ב-800 ננומטר ביותר מ-12%, מה שקולה בערך להצבת שני חלונות או מסננים ב- נתיב קרן.
ההשפעה של GDD על יישום תלויה במספר גורמים, כולל משך פעימות הקלט (τinput), תדר המרכז (או אורך הגל), והחומר שדרכו הפולס מתפשט.
משוואה (2) מראה בבירור כי עבור אותו ערך של GDD, משך פולס קצר יותר יתרחב בצורה משמעותית יותר מאשר משך פולס כניסה ארוך יותר. זו הסיבה ש-GDD לא נדון בהקשר של פעימות ננו-שניות או פיקו-שניות. לדוגמה, GDD של 20,000 fs2 בלבד יכול להרחיב דופק של 1ps ב-0.2%. הדוגמאות בפסקאות הבאות מראות שזה שווה ערך להפצה של פולס של 1030 ננומטר ליותר מ-1 מטר של סיליקה מתמזגת.
מקדם השבירה של חומר תלוי בתדירות האור העובר דרכו, ול-GDD יש תלות דומה במקדם השבירה. בעת בחירת אופטיקה של שידור ושבירה עבור מערכות מהירות במיוחד, סיליקה מתמזגת מומלצת לעתים קרובות מכיוון שיש לה את אחד מערכי ה-GDD הנמוכים ביותר בטווחי אורך הגל הנראה והקרוב לאינפרא אדום. לדוגמה, הפצת פולס של 1030 ננומטר דרך 1 מ"מ של סיליקה מתמזגת תייצר GDD של כ-19 fs2, אך באותו אורך גל, 1 מ"מ של SF11 יגרום ל-GDD של יותר מ-125 fs2 מסדי נתונים של אינדקס שבירה, כגון refractiveendex .info, הם משאב שימושי לקביעה איזה חומר הוא האופטיקה הטובה ביותר לשימוש בבחירת נתיב אלומה, וה-GDD המצטבר שלך הוא משאב שימושי.
בשל מגמה זו של GDD חיובי ועיוות זמן, מומלץ מאוד להשתמש באופטיקה אולטרה-מהירה מיוחדת המייצרת מעט או ללא GDD נוסף, ובכך מפחיתה את ההזדמנות למשכי דופק ממושכים.
איך יודעים אם אתם צריכים דחיסת דופק?
מתי צריך לדחוס (מחדש) דופק לייזר? ביישומי הדמיה מהירים במיוחד כמו מיקרוסקופיה מולטיפוטונים, תמונות מטושטשות מצביעות על כך שהדופק עשוי להימתח בזמן. בעיבוד לייזר מהיר במיוחד, מתיחת דופק יכולה להוביל להפחתת דיוק החיתוך והדיוק. משך הדופק המתוח מפחית את ההסתברות לאינטראקציות מולטיפוטונים, מה שמפחית את היעילות של המערכת האולטרה-מהירה. למרות שלא ניתן לספק כללים קפדניים ומהירים לכל מצב, החישובים לדוגמה הבאים מסייעים להדגים כמה שיטות עבודה מומלצות לקביעה אם יש צורך בדחיסת דופק.
שקול מתקן מיקרוסקופ רב-פוטוני עם נתיב קרן כפי שמוצג באיור 5.
איור 5: סכמטי דוגמה של נתיב האלומה בניסוי מיקרוסקופיה רב-פוטונים
ניתן לקבל קירוב מסדר ראשון של התרחבות הדופק על ידי סיכום תרומות ה-GDD של כל האלמנטים במערכת לפני שהלייזר מגיע לדגימה. הבה נניח שהתורמים העיקריים לפיזור הם מרחיב האלומה, המסננים הדיכרואיים ומטרת המיקוד. נתעלם מההשפעה של מראות הסריקה מאחר והן עשויות בדרך כלל מציפויי מתכת נמוכים של GDD. אם הפולס מרוכז באורך גל של 1030 ננומטר, המערכת יכולה בקלות להוסיף יותר מ-600 fs2 של GDD.
האם יש צורך לדחוס את הדופק במערכת או לא, תלוי במשך דופק הקלט ובצרכים הספציפיים של האפליקציה. אם תתחיל עם דופק של 150fs, לשידור דרך האופטיקה תהיה השפעה זניחה על משך הדופק. עם זאת, אם היישום שלך דורש רזולוציה זמנית שניתן להשיג רק עם דופק לייזר של 10 fs, אז כמות זו של GDD תגרום לדופק הראשוני שלך להתרחב לכ-167 fs. במקרה זה, יש צורך בדחיסה חוזרת. פרטים מדויקים אלה תלויים מאוד בנתיב האלומה וביישום הספציפיים שלך.
יישומי לייזר מהירים במיוחד
ספקטרוסקופיה
ספקטרוסקופיה הייתה אחד מאזורי היישום העיקריים של מקורות אור לייזר מהיר במיוחד מאז הצגתם. על ידי הפחתת משכי הדופק לפמטו-שניות או אפילו לאטו-שניות, מתאפשרים כעת תהליכים דינמיים בפיזיקה, כימיה וביולוגיה שלא ניתן היה לצפות בהיסטורית. אחד התהליכים המרכזיים הוא תנועה אטומית, שההתבוננות בה שיפרה את ההבנה המדעית של תהליכים בסיסיים כמו רטט מולקולרי, ניתוק מולקולרי והעברת אנרגיה בחלבונים פוטוסינתטיים.
הדמיה ביולוגית
לייזרים מהירים במיוחד עם כוח שיא גבוה תומכים בתהליכים לא ליניאריים ומשפרים רזולוציה עבור הדמיה ביולוגית, כגון מיקרוסקופיה מולטיפוטונים (איור 12). במערכת מולטיפוטונים, שני פוטונים חייבים לחפוף במרחב ובזמן כדי ליצור אות לא ליניארי ממדיום ביולוגי או מטרה ניאון. מנגנון לא ליניארי זה משפר את רזולוציית ההדמיה על ידי הפחתה משמעותית של אות הקרינה ברקע הפוגע במחקרים של תהליכי פוטון בודד. איור 13 ממחיש את רקע האות הפשוט הזה. אזור העירור הקטן יותר של מיקרוסקופיה מולטיפוטונים גם מונע פוטו-רעילות וממזער את הנזק לדגימה.
איור 6: מיקרוסקופיה רב-פוטונית או לא ליניארית משתמשת במקור לייזר מהיר במיוחד כדי ללכוד תמונות תלת-ממדיות (3D) ברזולוציה גבוהה עם הפחתה בפוטו-בליגה ופוטו-רעילות בהשוואה לטכניקות קונבנציונליות של מיקרוסקופיה קונפוקלית.
איור 7: תיאור מיקום האות של מערכת מיקרוסקופיה של שני פוטון דו-פוטונים (עליון) ופוטונים בודדים (תחתונה). החפיפה המופקת על ידי שני הפוטונים גורמת לנפח עירור קטן יותר, בעוד שאות הפוטון היחיד מושפע מאותות הרקע מחוץ למישור המוקד.
עיבוד חומרים בלייזר
מקורות לייזר אולטרה-מהירים חוללו גם מהפכה במיקרו-עיבוד לייזר ועיבוד חומרים בשל האופן הייחודי שבו פולסים אולטרה-קצרים מתקשרים עם חומרים. כפי שהוזכר קודם לכן, כאשר דנים ב-LDT, משך הפולס האולטרה-מהיר מהיר יותר מסולם הזמן של דיפוזיה תרמית לתוך סריג החומר. לייזרים מהירים במיוחד מייצרים אזור מושפע חום קטן בהרבה מאשר לייזרים דופקים של ננו-שניות, וכתוצאה מכך אובדן גרעינים נמוך יותר ועיבוד מדויק יותר. עיקרון זה חל גם על יישומים רפואיים, שבהם הדיוק המוגבר של חיתוך לייזר מהיר במיוחד עוזר למזער נזקים לרקמות הסובבות ולשפר את חווית המטופל במהלך ניתוח לייזר.
פולסים של Attosecond: העתיד של לייזרים מהירים במיוחד
ככל שנמשך המחקר על קידום לייזרים מהירים במיוחד, מתפתחים מקורות אור חדשים ומשופרים עם משכי פולסים קצרים יותר. כדי לקבל תובנה לגבי תהליכים פיזיקליים מהירים יותר, חוקרים רבים מתמקדים ביצירת פולסים של אטו-שניות - בטווח אורך הגל האולטרה-סגול הקיצוני (XUV), פולסים אטו-שניות הם בערך 10-18 שניות. פולסים של Attosecond מאפשרים מעקב אחר תנועת אלקטרונים ומשפרים את ההבנה שלנו לגבי מבנה אלקטרוני ומכניקת קוונטים. בעוד שהשילוב של לייזרים XUV attosecond בתהליכים תעשייתיים עדיין לא צבר אחיזה משמעותית, מחקר מתמשך והתקדמות בתחום ידחקו כמעט בוודאות את הטכנולוגיה הזו אל מחוץ למעבדה ולייצור, כפי שהיה במקורות לייזר פמטו-שניה ופיקו-שניות.
