Láser ultrarrápida Parte dos

Únicoláser ultrarrápidoparte segunda

Dispersión y propagación de pulso: dispersión de retraso del grupo
Uno de los desafíos técnicos más difíciles encontrados al usar láseres ultrarrápidos es mantener la duración de los pulsos ultra cortos inicialmente emitidos por elláser. Los pulsos ultrarrápidos son muy susceptibles a la distorsión del tiempo, lo que hace que los pulsos sean más largos. Este efecto empeora a medida que se acorta la duración del pulso inicial. Si bien los láseres ultrarrápidos pueden emitir pulsos con una duración de 50 segundos, pueden amplificarse en el tiempo utilizando espejos y lentes para transmitir el pulso a la ubicación objetivo, o incluso simplemente transmitir el pulso a través del aire.

Esta distorsión de tiempo se cuantifica utilizando una medida llamada Dispersión retrasada del grupo (GDD), también conocida como dispersión de segundo orden. De hecho, también hay términos de dispersión de orden superior que pueden afectar la distribución de tiempo de los pulsos de ultrafart-láser, pero en la práctica, generalmente es suficiente examinar el efecto del GDD. GDD es un valor dependiente de la frecuencia que es linealmente proporcional al grosor de un material dado. La óptica de transmisión, como la lente, la ventana y los componentes objetivos, generalmente tienen valores de GDD positivos, lo que indica que una vez que los pulsos comprimidos pueden dar a la óptica de transmisión una duración de pulso más larga que los emitidos porsistemas láser. Los componentes con frecuencias más bajas (es decir, longitudes de onda más largas) se propagan más rápido que los componentes con frecuencias más altas (es decir, longitudes de onda más cortas). A medida que el pulso pasa a través de más y más materia, la longitud de onda en el pulso continuará extendiéndose cada vez más en el tiempo. Para duraciones de pulso más cortas y, por lo tanto, anchos de banda más amplios, este efecto se exagera aún más y puede dar lugar a una distorsión de tiempo de pulso significativa.

Aplicaciones láser ultrarrápidas
espectroscopia
Desde el advenimiento de las fuentes láser ultrarrápidas, la espectroscopía ha sido una de sus principales áreas de aplicación. Al reducir la duración del pulso a las femtosegundos o incluso los atrogundos, ahora se puede lograr procesos dinámicos en física, química y biología que eran históricamente imposibles de observar. Uno de los procesos clave es el movimiento atómico, y la observación del movimiento atómico ha mejorado la comprensión científica de procesos fundamentales como la vibración molecular, la disociación molecular y la transferencia de energía en proteínas fotosintéticas.

bioimagen
Los láseres ultrarrápidos máximos admiten procesos no lineales y mejoran la resolución para las imágenes biológicas, como la microscopía de fotones múltiples. En un sistema de fotones múltiples, para generar una señal no lineal a partir de un medio biológico o objetivo fluorescente, dos fotones deben superponerse en el espacio y el tiempo. Este mecanismo no lineal mejora la resolución de imágenes al reducir significativamente las señales de fluorescencia de fondo que afectan los estudios de procesos de fotones de un solo fotón. Se ilustra el fondo de señal simplificado. La región de excitación más pequeña del microscopio multifoton también previene la fototoxicidad y minimiza el daño a la muestra.

Figura 1: Un diagrama de ejemplo de una ruta de haz en un experimento de microscopio de fotones múltiples

Procesamiento de material láser
Las fuentes láser ultrarrápidas también han revolucionado el micromachina láser y el procesamiento de materiales debido a la forma única en que los pulsos de ultrahort interactúan con los materiales. Como se mencionó anteriormente, al discutir LDT, la duración del pulso ultrarrápida es más rápida que la escala de tiempo de difusión de calor en la red del material. Los láseres ultrarrápidos producen una zona mucho más pequeña afectada por el calor queláseres pulsados ​​de nanosegundos, lo que resulta en pérdidas de incisión más bajas y un mecanizado más preciso. Este principio también es aplicable a aplicaciones médicas, donde la mayor precisión del corte de láser ultrafart ayuda a reducir el daño al tejido circundante y mejora la experiencia del paciente durante la cirugía láser.

Pulsos de atosegundos: el futuro de los láseres ultrarrápidos
A medida que la investigación continúa avanzando láseres ultrarrápidos, se están desarrollando fuentes de luz nuevas y mejoradas con duraciones de pulso más cortas. Para obtener información sobre procesos físicos más rápidos, muchos investigadores se centran en la generación de pulsos de atosegundos, alrededor de 10-18 s en el rango de longitud de onda ultravioleta extrema (XUV). Los pulsos de atosegundos permiten el seguimiento del movimiento de electrones y mejorar nuestra comprensión de la estructura electrónica y la mecánica cuántica. Si bien la integración de los láseres de Atrosegund de XUV en procesos industriales aún no ha hecho un progreso significativo, la investigación y los avances en curso en el campo casi seguramente expulsarán esta tecnología del laboratorio y la fabricación, como ha sido el caso de Femtosegund y Picosegundfuentes láser.