Rozwój i zastosowanie technologii lasera femtosekundowego
2021-12-15
Odkąd Maman po raz pierwszy uzyskał wyjście impulsu laserowego w 1960 r., proces ludzkiej kompresji szerokości impulsu laserowego można z grubsza podzielić na trzy etapy: etap technologii przełączania Q, etap technologii blokowania modów i etap technologii wzmacniania impulsów ćwierkających. Wzmocnienie impulsu chirped (CPA) to nowa technologia opracowana w celu przezwyciężenia efektu samoogniskowania generowanego przez materiały lasera na ciele stałym podczas wzmacniania laserem femtosekundowym. Najpierw zapewnia ultrakrótkie impulsy generowane przez lasery z synchronizacją modów. „Positive chirp” zwiększa szerokość impulsu do pikosekund lub nawet nanosekund w celu wzmocnienia, a następnie użyj metody kompensacji chirp (negative chirp), aby skompresować szerokość impulsu po uzyskaniu wystarczającego wzmocnienia energii. Ogromne znaczenie ma rozwój laserów femtosekundowych. przed 1990 r.laser femtosekundowyimpulsy uzyskano przy użyciu technologii blokowania modów lasera barwnikowego o szerokim paśmie wzmocnienia. Jednak utrzymanie i zarządzanie laserem barwnikowym jest niezwykle skomplikowane, co ogranicza jego zastosowanie. Wraz z poprawą jakości kryształów Ti:Sapphire, krótsze kryształy mogą być również używane do uzyskania wystarczająco dużych wzmocnień, aby uzyskać krótkie oscylacje impulsowe. W 1991 roku Spence i in. po raz pierwszy opracował laser femtosekundowy Ti:Sapphire z samoczynnym synchronizacją. Pomyślne opracowanie lasera femtosekundowego Ti:Sapphire o szerokości impulsu 60 fs znacznie przyczyniło się do zastosowania i rozwoju laserów femtosekundowych. W 1994 roku zastosowano technologię wzmacniania impulsów ćwierkających w celu uzyskania impulsów laserowych mniejszych niż 10 fs, obecnie za pomocą technologii samoczynnego blokowania soczewek Kerra, optycznej parametrycznej technologii wzmacniania impulsów ćwierkających, technologii opróżniania wnęki, technologii wzmocnienia wieloprzebiegowego itp. może zrobić laser Szerokość impulsu jest kompresowana do mniej niż 1fs, aby wejść do domeny attosekundowej, a szczytowa moc impulsu laserowego jest również zwiększana z terawata (1TW=10^12W) do petawata (1PW=10^15W). Te główne przełomy w technologii laserowej wywołały rozległe i dogłębne zmiany w wielu dziedzinach. W dziedzinie fizyki pole elektromagnetyczne o ultrawysokiej intensywności generowane przez laser femtosekundowy może generować relatywistyczne neutrony, a także bezpośrednio manipulować atomami i cząsteczkami. W stacjonarnym laserowym urządzeniu do syntezy jądrowej femtosekundowy impuls lasera jest używany do naświetlania skupisk cząsteczek deuteru i trytu. Może zainicjować reakcję syntezy jądrowej i wytworzyć dużą liczbę neutronów. Kiedy laser femtosekundowy wchodzi w interakcję z wodą, może powodować reakcję fuzji jądrowej izotopu wodoru deuter, generując ogromne ilości energii. Użycie laserów femtosekundowych do kontroli fuzji jądrowej może uzyskać kontrolowaną energię syntezy jądrowej. W Laboratorium Fizyki Wszechświata plazma o wysokiej gęstości energii generowana przez impulsy świetlne o ultrawysokiej intensywności laserów femtosekundowych może odtworzyć wewnętrzne zjawiska Drogi Mlecznej i gwiazd na ziemi. Dzięki femtosekundowej metodzie rozdzielczości czasowej można wyraźnie obserwować zmiany cząsteczek umieszczonych w nanoprzestrzeni i ich wewnętrzne stany elektronowe w skali czasu femtosekund. W dziedzinie biomedycyny, ze względu na wysoką moc szczytową i gęstość mocy laserów femtosekundowych, podczas interakcji z różnymi materiałami często powstają różne efekty nieliniowe, takie jak jonizacja wielofotonowa i efekty samoogniskowania. Jednocześnie czas oddziaływania lasera femtosekundowego z tkankami biologicznymi jest nieznaczny w porównaniu z czasem relaksacji termicznej tkanek biologicznych (rzędu ns). W przypadku tkanek biologicznych wzrost temperatury o kilka stopni stanie się falą nacisku na nerwy. Komórki powodują ból i uszkodzenia cieplne komórek, dzięki czemu laser femtosekundowy może zapewnić bezbolesne i wolne od ciepła leczenie. Laser femtosekundowy ma zalety niskiej energii, małych uszkodzeń, wysokiej dokładności i ścisłego pozycjonowania w przestrzeni trójwymiarowej, co w największym stopniu może zaspokoić specjalne potrzeby dziedziny biomedycznej. Laser femtosekundowy służy do leczenia zębów w celu uzyskania czystych i uporządkowanych kanałów bez uszkodzeń krawędzi, unikając wpływu naprężeń mechanicznych i termicznych wywołanych przez lasery o długim impulsie (takie jak Er:YAG), zwapnienia, pęknięcia i chropowate powierzchnie. Kiedy laser femtosekundowy jest stosowany do precyzyjnego cięcia tkanek biologicznych, luminescencja plazmy podczas interakcji lasera femtosekundowego z tkankami biologicznymi może być analizowana za pomocą widma, a tkanka kostna i chrzęstna mogą być identyfikowane, aby określić i kontrolować, co jest potrzebna w procesie leczenia chirurgicznego Energia impulsu. Ta technika ma ogromne znaczenie w chirurgii nerwów i kręgosłupa. Laser femtosekundowy o zakresie długości fali 630-1053nm może wykonywać bezpieczne, czyste, wysoce precyzyjne nietermiczne cięcie chirurgiczne i ablację ludzkiej tkanki mózgowej. Laser femtosekundowy o długości fali 1060nm, szerokości impulsu 800fs, częstotliwości powtarzania impulsów 2kHz i energii impulsu 40μJ może wykonywać czyste, bardzo precyzyjne operacje cięcia rogówki. Laser femtosekundowy charakteryzuje się brakiem uszkodzeń termicznych, co ma duże znaczenie w laserowej rewaskularyzacji mięśnia sercowego i angioplastyce laserowej. W 2002 roku Hannover Laser Center w Niemczech zastosował laser femtosekundowy do zakończenia przełomowej produkcji struktury stentu naczyniowego na nowym materiale polimerowym. W porównaniu z poprzednim stentem ze stali nierdzewnej, ten stent naczyniowy ma dobrą biokompatybilność i zgodność biologiczną. Rozkład ma ogromne znaczenie w leczeniu choroby wieńcowej. W testach klinicznych i testach biologicznych technologia lasera femtosekundowego może automatycznie ciąć tkanki biologiczne organizmów na poziomie mikroskopowym i uzyskiwać trójwymiarowe obrazy o wysokiej rozdzielczości. Technologia ta ma ogromne znaczenie w diagnostyce i leczeniu nowotworów oraz badaniu mutacji genetycznych 368 zwierząt. W dziedzinie inżynierii genetycznej. W 2001 roku K.Konig z Niemiec użył Ti:Sapphirelaser femtosekundowydo wykonywania operacji w nanoskali na ludzkim DNA (chromosomach) (minimalna szerokość cięcia 100 nm). W 2002 r. U.irlapur i Koing użylilaser femtosekundowystworzyć odwracalny mikropor w błonie komórkowej raka, a następnie umożliwić DNA wnikanie do komórki przez tę dziurę. Później otwór zamknął własny wzrost komórki, dzięki czemu udało się osiągnąć transfer genów. Technika ta ma zalety wysokiej niezawodności i dobrego efektu przeszczepu i ma duże znaczenie przy przeszczepianiu obcego materiału genetycznego do różnych komórek, w tym komórek macierzystych. W dziedzinie inżynierii komórkowej lasery femtosekundowe są wykorzystywane do wykonywania operacji nanochirurgicznych w żywych komórkach bez uszkadzania błony komórkowej. Te techniki działania lasera femtosekundowego mają pozytywne znaczenie w badaniach nad terapią genową, dynamiką komórkową, polarnością komórek, lekoopornością oraz różnymi składnikami komórek i subkomórkową strukturą heterogeniczną. W dziedzinie komunikacji światłowodowej czas odpowiedzi materiałów półprzewodnikowych do urządzeń optoelektronicznych jest „wąskim gardłem”, które ogranicza komunikację światłowodową z nadmierną prędkością komercyjną. Zastosowanie femtosekundowej technologii koherentnego sterowania sprawia, że prędkość półprzewodnikowych przełączników optycznych sięga 10000Gbit/s, co ostatecznie może osiągnąć teoretyczną granicę mechaniki kwantowej. . Ponadto, technologia kształtowania kształtu fali Fouriera femtosekundowych impulsów laserowych jest stosowana do komunikacji optycznej o dużej przepustowości, takiej jak multipleksowanie z podziałem czasu, multipleksowanie z podziałem długości fali i wielokrotny dostęp z podziałem kodu, przy czym można uzyskać szybkość transmisji danych 1 Tbit/s. W dziedzinie ultraprecyzyjnego przetwarzania silny efekt samoogniskowanialaser femtosekundowyimpulsy w przezroczystych ośrodkach powodują, że ogniskowa lasera jest mniejsza niż granica dyfrakcji, powodując mikroeksplozje wewnątrz przezroczystego materiału, tworzące stereo piksele o średnicy submikronowej. Stosując tę metodę, można wykonać trójwymiarowe przechowywanie optyczne o wysokiej gęstości, a gęstość przechowywania może osiągnąć 10^12bitów/cm3. I może realizować szybki odczyt i zapis danych oraz równoległy losowy dostęp do danych. Przenikanie między sąsiednimi warstwami bitów danych jest bardzo małe, a technologia trójwymiarowego przechowywania danych stała się nowym kierunkiem badań w rozwoju obecnej technologii pamięci masowych. Falowody optyczne, dzielniki wiązki, sprzęgacze itp. to podstawowe elementy optyczne optyki zintegrowanej. Za pomocą laserów femtosekundowych na sterowanej komputerowo platformie przetwarzania można wykonać dwuwymiarowe i trójwymiarowe falowody optyczne o dowolnym kształcie w dowolnym miejscu wewnątrz materiału. , dzielnik wiązki, sprzęgacz i inne urządzenia fotoniczne i mogą być sprzęgane ze standardowym światłowodem, za pomocą lasera femtosekundowego można również wykonać mikrozwierciadło 45° wewnątrz szkła światłoczułego, a teraz wyprodukowano obwód optyczny złożony z 3 wewnętrznych mikrozwierciadeł , Może obracać wiązkę o 270° w obszarze 4 mm x 5 mm. Bardziej naukowo, naukowcy ze Stanów Zjednoczonych wykorzystali ostatnio lasery femtosekundowe do stworzenia falowodu optycznego o długości 1 cm, który może generować wzmocnienie sygnału 3 dB/cm w pobliżu 1062 nm. Światłowodowa siatka Bragga ma efektywną charakterystykę doboru częstotliwości, jest łatwa do sprzężenia z systemem komunikacji światłowodowej i ma niskie straty. W związku z tym wykazuje bogate właściwości transmisyjne w dziedzinie częstotliwości i stał się punktem zapalnym badań urządzeń światłowodowych. W 2000 roku Kawamora K i in. po raz pierwszy użyli dwóch femtosekundowych interferometrii laserowej w podczerwieni, aby uzyskać holograficzne siatki reliefowe powierzchni. Później, wraz z rozwojem technologii i technologii produkcji, w 2003 roku Mihaiby. S i in. wykorzystano femtosekundowe impulsy laserowe Ti:Sapphire w połączeniu z płytkami fazy zerowego rzędu w celu uzyskania odblaskowych siatek Bragga na rdzeniu włókien komunikacyjnych. Posiada wysoki zakres modulacji współczynnika załamania światła i dobrą stabilność temperaturową. Kryształ fotoniczny jest strukturą dielektryczną z okresową modulacją współczynnika załamania w przestrzeni, a jej okres zmian jest tego samego rzędu wielkości co długość fali światła. Urządzenie z kryształem fotonicznym to zupełnie nowe urządzenie, które kontroluje propagację fotonów i stało się gorącym punktem badawczym w dziedzinie fotoniki. W 2001 r. Sun H B i in. wykorzystał lasery femtosekundowe do wytwarzania kryształów fotonicznych z dowolnymi sieciami w szkle krzemionkowym domieszkowanym germanem, które mogą indywidualnie wybierać poszczególne atomy. W 2003 roku Serbin J i in. wykorzystał laser femtosekundowy do indukcji dwufotonowej polimeryzacji nieorganiczno-organicznych materiałów hybrydowych w celu uzyskania trójwymiarowych mikrostruktur i kryształów fotonicznych o wielkości struktury mniejszej niż 200 nm i okresie 450 nm. Lasery femtosekundowe osiągnęły przełomowe wyniki w dziedzinie przetwarzania urządzeń mikrofotonicznych, dzięki czemu złącza kierunkowe, filtry pasmowoprzepustowe, multipleksery, przełączniki optyczne, konwertery długości fali i modulatory mogą być przetwarzane na "chip" Planarnych pętlach fal świetlnych z innymi komponentami. Położył podwaliny pod urządzenia fotoniczne, które zastąpią urządzenia elektroniczne. Technologia fotomasek i litografii jest kluczową technologią w dziedzinie mikroelektroniki, która jest bezpośrednio związana z jakością i wydajnością produkcji układów scalonych. Lasery femtosekundowe mogą służyć do naprawy defektów fotomaski, a naprawiana szerokość linii może osiągnąć dokładność poniżej 100 nm. tenlaser femtosekundowyTechnologia bezpośredniego pisania może być wykorzystana do szybkiego i efektywnego wytwarzania wysokiej jakości fotomasek. Te wyniki są bardzo ważne dla mikro. Rozwój techniki elektronicznej ma ogromne znaczenie.
We use cookies to offer you a better browsing experience, analyze site traffic and personalize content. By using this site, you agree to our use of cookies.
Privacy Policy
