Caratteristiche uniche dei laser ultraveloci
Le durate degli impulsi ultrabrevi dei laser ultraveloci conferiscono a questi sistemi caratteristiche uniche che li distinguono dai laser a impulsi lunghi o a onda continua (CW). Per generare impulsi così brevi è necessaria un'ampia larghezza di banda spettrale. La forma dell'impulso e la lunghezza d'onda centrale determinano la larghezza di banda minima richiesta per produrre un impulso di una durata specifica. Tipicamente, questa relazione è descritta dal prodotto della larghezza di banda temporale (TBP), che deriva dal principio di indeterminazione. Il TBP di un impulso distribuito gaussiano è dato da.
TBPGaussiano{{0}}ΔτΔν≈0,441
Δτ è la durata dell'impulso e Δv è la larghezza di banda della frequenza. Essenzialmente, l'equazione mostra che esiste una relazione inversa tra la larghezza di banda spettrale e la durata dell'impulso, il che significa che quando la durata dell'impulso diminuisce, la larghezza di banda richiesta per generare quell'impulso aumenta. La Figura 1 illustra la larghezza di banda minima richiesta per supportare diverse durate di impulso.
Figura 1: Larghezza di banda spettrale minima richiesta per supportare impulsi laser da 10 ps (verde), 500 fs (blu) e 50 fs (rosso)
Figura 2: Rappresentazione della potenza media Pavg e della potenza di picco Ppeak per un laser con durata dell'impulso t
Sfide tecniche dei laser ultraveloci
L'ampia larghezza di banda spettrale, l'elevata potenza di picco e la breve durata dell'impulso dei laser ultraveloci devono essere gestiti correttamente nel sistema. Spesso, una delle sfide più facili da affrontare è l'emissione ad ampio spettro del laser. Se in passato hai utilizzato principalmente laser a impulsi più lunghi o a onda continua, il tuo inventario esistente di ottiche potrebbe non essere in grado di riflettere o trasmettere l'intera larghezza di banda degli impulsi ultraveloci.
Soglia di danno laser
Le ottiche ultraveloci hanno anche una soglia di danno laser (LDT) significativamente diversa e più difficile da superare rispetto alle sorgenti laser più tradizionali (Figura 3). Quando si forniscono ottiche per laser pulsati di nanosecondi, i valori LDT sono generalmente dell'ordine di 5-10 J/cm2. Per l'ottica ultraveloce, valori di questa grandezza sono praticamente inauditi, poiché è più probabile che i valori LDT siano dell'ordine di<1 J/cm2, usually closer to 0.3 J/cm2.
La variazione significativa nell'ampiezza dell'LDT per diverse durate dell'impulso è una conseguenza del meccanismo di danno del laser basato sulla durata dell'impulso. Per i laser a nanosecondi o i laser a impulsi più lunghi, il meccanismo principale che porta al danno è il riscaldamento termico. I materiali del rivestimento e del substrato dell'ottica assorbono i fotoni incidenti e si riscaldano. Ciò può portare alla distorsione del reticolo materiale. Effetti come l'espansione termica, la fessurazione, la fusione e la deformazione del reticolo sono meccanismi di danno termico comuni per questi tipi di sorgenti laser.
Figura 3: I danni del laser alle superfici ottiche, come mostrato qui, possono ridurre le prestazioni di un sistema laser, rendendolo inutilizzabile o addirittura pericoloso. A causa della breve durata dell'impulso, i meccanismi di danno quando si utilizzano laser ultraveloci sono significativamente diversi da quelli quando si utilizzano laser a impulsi più lunghi.
Tuttavia, con i laser ultraveloci, la durata dell'impulso stesso è più veloce della scala temporale del trasferimento di calore dal laser al reticolo del materiale e pertanto gli effetti termici non sono la causa principale del danno indotto dal laser (Figura 4). Invece, la potenza di picco del laser ultraveloce trasforma il meccanismo del danno in processi non lineari come l’assorbimento e la ionizzazione multifotone. Questo è il motivo per cui non è possibile semplicemente ridurre la valutazione LDT di un impulso di nanosecondi a quella di un impulso ultraveloce, perché i meccanismi fisici del danno sono diversi. Pertanto, nelle stesse condizioni d'uso (ad esempio, lunghezza d'onda, durata dell'impulso e frequenza di ripetizione), un'ottica con un valore LDT sufficientemente elevato sarà l'ottica migliore per la vostra particolare applicazione. Le ottiche testate in condizioni diverse non sono rappresentative delle prestazioni effettive della stessa ottica in un sistema.
Figura 4: Meccanismi di danno indotti dal laser per diverse durate di impulso
Dispersione ed estensione dell'impulso: dispersione del ritardo di gruppo
Una delle sfide tecniche più difficili incontrate quando si utilizzano laser ultraveloci è mantenere la durata dell'impulso ultracorto inizialmente emesso dal laser. Gli impulsi ultraveloci sono molto sensibili alle aberrazioni temporali, che rendono l'impulso più lungo. Questo effetto peggiora quando la durata dell'impulso iniziale viene ridotta. Mentre i laser ultraveloci possono emettere impulsi della durata di 50 secondi, è possibile espandere l’impulso nel tempo utilizzando specchi e lenti per fornire l’impulso alla posizione target, o anche semplicemente trasmettendo l’impulso attraverso l’aria.
Questa distorsione temporale viene quantificata utilizzando una metrica chiamata dispersione del ritardo di gruppo (GDD), nota anche come dispersione del secondo ordine. In effetti, esistono anche termini di dispersione di ordine superiore che possono influenzare la distribuzione temporale degli impulsi laser ultraveloci, ma in pratica è solitamente sufficiente esaminare l'effetto del GDD. GDD è un valore dipendente dalla frequenza che scala linearmente con lo spessore di un dato materiale. Le ottiche di trasmissione come lenti, finestre e gruppi di lenti dell'obiettivo hanno tipicamente valori GDD positivi, indicando che una volta compresso l'impulso può fornire alle ottiche di trasmissione una durata dell'impulso più lunga rispetto all'impulso emesso dal sistema laser. I componenti a frequenza più bassa (cioè con lunghezza d'onda maggiore) si propagano più velocemente dei componenti a frequenza più alta (cioè con lunghezza d'onda più corta). Man mano che l'impulso viaggia attraverso sempre più materia, le lunghezze d'onda nell'impulso continueranno ad estendersi sempre più lontano nel tempo. Per durate di impulso più brevi, e quindi larghezze di banda più ampie, questo effetto è ulteriormente esagerato e può portare a una significativa distorsione del tempo di impulso.
Per impulsi più lunghi con durate di nanosecondi o addirittura picosecondi, il GDD non rappresenta un grosso problema. Tuttavia, per impulsi al femtosecondo più brevi, anche posizionando un pezzo di N-BK7 spesso 10 mm nel percorso del raggio è possibile ampliare un impulso di 50 fs centrato a 800 nm di oltre il 12%, che equivale più o meno a posizionare due finestre o filtri nel percorso del raggio. percorso del raggio.
L'impatto del GDD su un'applicazione dipende da diversi fattori, tra cui la durata dell'impulso di ingresso (τinput), la frequenza centrale (o lunghezza d'onda) e il materiale attraverso il quale si propaga l'impulso.
L'equazione (2) mostra chiaramente che, per lo stesso valore di GDD, una durata dell'impulso più breve si amplierà in modo più significativo rispetto ad una durata dell'impulso in ingresso più lunga. Questo è il motivo per cui il GDD non viene discusso nel contesto degli impulsi di nanosecondi o picosecondi. Ad esempio, un GDD di soli 20,000 fs2 può ampliare un impulso da 1 ps dello 0,2%. Gli esempi nei paragrafi seguenti mostrano che ciò equivale a propagare un impulso di 1030 nm in più di 1 m di silice fusa.
L'indice di rifrazione di un materiale dipende dalla frequenza della luce che lo attraversa e il GDD ha una dipendenza simile dall'indice di rifrazione. Quando si selezionano le ottiche di trasmissione e rifrazione per i sistemi ultraveloci, si consiglia spesso la silice fusa perché ha uno dei valori GDD più bassi negli intervalli di lunghezze d'onda del visibile e del vicino infrarosso. Ad esempio, la propagazione di un impulso di 1030 nm attraverso 1 mm di silice fusa produrrà un GDD di circa 19 fs2, ma alla stessa lunghezza d'onda, 1 mm di SF11 risulterà in un GDD di oltre 125 fs2 Database dell'indice di rifrazione, come refractivendex .info, sono una risorsa utile per determinare quale materiale è l'ottica migliore da utilizzare nella scelta dei percorsi ottici e il GDD accumulato è una risorsa utile.
A causa di questa tendenza al GDD positivo e alla distorsione temporale, si consiglia vivamente di utilizzare ottiche ultraveloci specializzate che producono poco o nessun GDD aggiuntivo, riducendo così la possibilità di durate di impulso estese.
Come fai a sapere se hai bisogno della compressione del polso?
Quando è necessario (ri)comprimere un impulso laser? Nelle applicazioni di imaging ultraveloce come la microscopia multifotone, le immagini sfocate indicano che l'impulso può essere allungato nel tempo. Nella lavorazione laser ultraveloce, l'allungamento degli impulsi può portare a una ridotta accuratezza e precisione del taglio. La durata dell'impulso allungato riduce la probabilità di interazioni multifotone, il che riduce l'efficienza del sistema ultraveloce. Sebbene non sia possibile fornire regole rapide e rigorose per ogni situazione, i seguenti calcoli di esempio aiutano a dimostrare alcune migliori pratiche per determinare se è necessaria la compressione dell'impulso.
Considera una configurazione di microscopio multifotone con un percorso del raggio come mostrato nella Figura 5.
Figura 5: Esempio schematico del percorso del raggio in un esperimento di microscopia multifotone
Un'approssimazione del primo ordine dell'espansione dell'impulso può essere ottenuta sommando i contributi GDD di tutti gli elementi del sistema prima che il laser raggiunga il campione. Supponiamo che i principali contributori alla dispersione siano l'espansore del fascio, i filtri dicroici e l'obiettivo di focalizzazione. Ignoreremo l'effetto degli specchi di scansione poiché solitamente sono realizzati con rivestimenti metallici a basso GDD. Se l'impulso è centrato su una lunghezza d'onda di 1030 nm, il sistema può facilmente aggiungere più di 600 fs2 di GDD.
La necessità o meno di comprimere l'impulso nel sistema dipende dalla durata dell'impulso di ingresso e dalle esigenze specifiche dell'applicazione. Se si inizia con un impulso di 150 fs, la trasmissione attraverso l'ottica avrà un effetto trascurabile sulla durata dell'impulso. Tuttavia, se la tua applicazione richiede una risoluzione temporale che può essere ottenuta solo con un impulso laser di 10 fs, allora questa quantità di GDD farà sì che l'impulso iniziale si espanda fino a circa 167 fs. In questo caso è necessaria la ricompressione. Questi dettagli precisi dipendono fortemente dal percorso del raggio e dall'applicazione particolari.
Applicazioni laser ultraveloci
Spettroscopia
La spettroscopia è stata una delle principali aree di applicazione delle sorgenti di luce laser ultraveloce sin dalla loro introduzione. Riducendo la durata degli impulsi a femtosecondi o addirittura attosecondi, sono ora possibili processi dinamici in fisica, chimica e biologia che storicamente erano impossibili da osservare. Uno dei processi chiave è il movimento atomico, la cui osservazione ha migliorato la comprensione scientifica di processi fondamentali come la vibrazione molecolare, la dissociazione molecolare e il trasferimento di energia nelle proteine fotosintetiche.
Bioimmagini
I laser ultraveloci con elevata potenza di picco supportano processi non lineari e migliorano la risoluzione per il bioimaging, come la microscopia multifotone (Fig. 12). In un sistema multifotone, due fotoni devono sovrapporsi nello spazio e nel tempo per generare un segnale non lineare da un mezzo biologico o da un bersaglio fluorescente. Questo meccanismo non lineare migliora la risoluzione dell'immagine riducendo significativamente il segnale di fluorescenza di fondo che affligge gli studi sui processi a singolo fotone. La Figura 13 illustra lo sfondo semplificato del segnale. La regione di eccitazione più piccola della microscopia multifotonica previene inoltre la fototossicità e riduce al minimo i danni al campione.
Figura 6: La microscopia multifotone o non lineare utilizza una sorgente laser ultraveloce per acquisire immagini tridimensionali (3D) ad alta risoluzione con fotosbiancamento e fototossicità ridotti rispetto alle tecniche di microscopia confocale convenzionali.
Figura 7: Rappresentazione della posizione del segnale di un sistema di microscopia a due fotoni (in alto) e a fotone singolo (in basso). La sovrapposizione prodotta dai due fotoni determina un volume di eccitazione minore, mentre il segnale del singolo fotone è influenzato dal segnale di fondo proveniente dall'esterno del piano focale.
Lavorazione materiali tramite laser
Le sorgenti laser ultraveloci hanno anche rivoluzionato la microlavorazione laser e la lavorazione dei materiali grazie al modo unico in cui gli impulsi ultracorti interagiscono con i materiali. Come accennato in precedenza, quando si parla di LDT, la durata dell’impulso ultraveloce è più veloce della scala temporale della diffusione termica nel reticolo del materiale. I laser ultraveloci producono una zona influenzata dal calore molto più piccola rispetto ai laser pulsati nell'ordine dei nanosecondi, con conseguente minore perdita di taglio e lavorazione più precisa. Questo principio si applica anche alle applicazioni mediche, dove la maggiore precisione del taglio laser ultraveloce aiuta a ridurre al minimo i danni ai tessuti circostanti e a migliorare l’esperienza del paziente durante la chirurgia laser.
Impulsi ad attosecondi: il futuro dei laser ultraveloci
Man mano che la ricerca sull'avanzamento dei laser ultraveloci continua, vengono sviluppate sorgenti luminose nuove e migliorate con durate di impulso più brevi. Per ottenere informazioni sui processi fisici più rapidi, molti ricercatori si stanno concentrando sulla generazione di impulsi ad attosecondi: nell'intervallo di lunghezze d'onda dell'ultravioletto estremo (XUV), gli impulsi ad attosecondi durano circa 10-18 s. Gli impulsi di attosecondi consentono il tracciamento del movimento degli elettroni e migliorano la nostra comprensione della struttura elettronica e della meccanica quantistica. Sebbene l’integrazione dei laser ad attosecondi XUV nei processi industriali non abbia ancora guadagnato terreno in modo significativo, la ricerca in corso e i progressi nel campo quasi certamente spingeranno questa tecnologia fuori dai laboratori e nella produzione, come è avvenuto con le sorgenti laser a femtosecondi e picosecondi.
