Femtosekundin laserteknologian kehittäminen ja soveltaminen
2021-12-15
Siitä lähtien, kun Maman sai laserpulssilähtöä ensimmäisen kerran vuonna 1960, ihmisen laserpulssin leveyden kompressointiprosessi voidaan jakaa karkeasti kolmeen vaiheeseen: Q-kytkentätekniikkavaihe, tilan lukitusteknologian vaihe ja sirkutetun pulssin vahvistusteknologian vaihe. Chirped pulse amplification (CPA) on uusi tekniikka, joka on kehitetty voittamaan solid-state-lasermateriaalien synnyttämän itsefokusoivan vaikutuksen femtosekunnin laservahvistuksen aikana. Se tarjoaa ensin erittäin lyhyitä pulsseja, jotka on generoitu tilalukittujen lasereiden avulla. "Positiivinen chirp", laajenna pulssin leveys piko- tai jopa nanosekunteiksi vahvistusta varten ja käytä sitten chirp-kompensointimenetelmää (negatiivinen chirp) kompressoimaan pulssin leveyttä riittävän energiavahvistuksen saavuttamisen jälkeen. Femtosekuntilaserien kehityksellä on suuri merkitys. Ennen vuotta 1990femtosekunnin laserpulssit oli saatu käyttämällä väriainelasertilan lukitustekniikkaa laajalla vahvistuskaistanleveydellä. Värilaserin ylläpito ja hallinta on kuitenkin erittäin monimutkaista, mikä rajoittaa sen käyttöä. Ti:Sapphire-kiteiden laadun parantuessa voidaan käyttää myös lyhyempiä kiteitä riittävän korkeiden vahvistusten saamiseksi lyhyen pulssivärähtelyn saavuttamiseksi. Vuonna 1991 Spence et ai. kehitti ensimmäistä kertaa itselukitun Ti:Sapphire femtosekunnin laserin. 60fs pulssileveyden Ti:Sapphire femtosekuntilaserin onnistunut kehittäminen edisti suuresti femtosekuntilaserien käyttöä ja kehitystä. Vuonna 1994 sirkutetun pulssin vahvistustekniikan käyttö alle 10 fs:n laserpulssien saamiseksi, tällä hetkellä Kerr-objektiivin itsetilan lukitustekniikan, optisen parametrisen sirkullisen pulssin vahvistustekniikan, ontelon tyhjennystekniikan, monipäästövahvistustekniikan jne. voi tehdä laseria Pulssin leveys puristetaan alle 1fs:iin päästäkseen attosekunnin alueelle, ja laserpulssin huipputehoa kasvatetaan myös terawatista (1TW=10^12W) petawattiin (1PW=10^15W). Nämä laserteknologian suuret läpimurrot ovat käynnistäneet laajoja ja perusteellisia muutoksia monilla aloilla. Fysiikan alalla femtosekuntilaserin tuottama erittäin voimakas sähkömagneettinen kenttä voi tuottaa relativistisia neutroneja ja voi myös suoraan manipuloida atomeja ja molekyylejä. Pöytäkoneen ydinfuusiolaserlaitteessa femtosekunnin laserpulssia käytetään deuterium-tritium-molekyyliklustereiden säteilyttämiseen. Se voi käynnistää ydinfuusioreaktion ja tuottaa suuren määrän neutroneja. Kun femtosekundinen laser on vuorovaikutuksessa veden kanssa, se voi saada vety-isotoopin deuteriumin läpi ydinfuusioreaktion, joka tuottaa valtavia määriä energiaa. Femtosekuntilaserien käyttäminen ydinfuusion ohjaamiseen voi saada hallittavaa ydinfuusioenergiaa. Universumin fysiikan laboratoriossa korkean energiatiheyden plasma, joka on tuotettu erittäin korkean intensiteetin valopulsseilla femtosekuntilasereilla, voi toistaa Linnunradan ja maan päällä olevien tähtien sisäiset ilmiöt. Femtosekuntien aikaresoluutiomenetelmällä voidaan selkeästi havaita nanoavaruuteen sijoitettujen molekyylien ja niiden sisäisten elektronisten tilojen muutoksia femtosekuntien aika-asteikolla. Biolääketieteen alalla femtosekuntilaserien korkean huipputehon ja tehotiheyden vuoksi syntyy usein erilaisia epälineaarisia vaikutuksia, kuten monifotoni-ionisaatiota ja itsefokusoituvia vaikutuksia, kun ne ovat vuorovaikutuksessa eri materiaalien kanssa. Samanaikaisesti femtosekunnin laserin ja biologisten kudosten välinen vuorovaikutusaika on merkityksetön verrattuna biologisten kudosten lämpörelaksaatioaikaan (ns:n luokkaa). Biologisille kudoksille muutaman asteen lämpötilan noususta tulee paineaalto hermoille. Solut aiheuttavat kipua ja lämpövaurioita soluille, joten femtosekunnin laserilla voidaan saavuttaa kivuton ja lämpövapaa hoito. Femtosekuntilaserin etuna on alhainen energia, pienet vauriot, korkea tarkkuus ja tiukka paikannus kolmiulotteisessa tilassa, mikä voi vastata biolääketieteen alan erityistarpeisiin suurimmassa määrin. Femtosekuntilaseria käytetään hampaiden hoitoon puhtaiden ja siistien kanavien saamiseksi ilman reunavaurioita, välttäen pitkien pulssilaserien (kuten Er:YAG) aiheuttaman mekaanisen rasituksen ja lämpörasituksen, kalkkeutumisen, halkeamien ja karkeiden pintojen vaikutuksen. Kun femtosekuntilaseria käytetään biologisten kudosten hienoleikkaukseen, plasman luminesenssi femtosekuntilaserin ja biologisten kudosten vuorovaikutuksessa voidaan analysoida spektrin avulla ja tunnistaa luukudos ja rustokudos, jotta voidaan määrittää ja valvoa, mitä tarvitaan kirurgisessa hoitoprosessissa Pulssienergiaa. Tällä tekniikalla on suuri merkitys hermo- ja selkäleikkauksissa. Femtosekuntilaser, jonka aallonpituusalue on 630-1053 nm, voi suorittaa turvallisen, puhtaan ja erittäin tarkan ei-termisen kirurgisen leikkauksen ja ihmisen aivokudoksen poistamisen. Femtosekunnin laser, jonka aallonpituus on 1060 nm, pulssin leveys 800 fs, pulssin toistotaajuus 2 kHz ja pulssienergia 40 μJ, voi suorittaa puhtaita, erittäin tarkkoja sarveiskalvon leikkaustoimenpiteitä. Femtosekuntilaseerilla ei ole lämpövaurioita, mikä on erittäin tärkeää sydänlihaksen laserrevaskularisaatiossa ja laserangioplastiassa. Vuonna 2002 Hannoverin laserkeskus Saksassa käytti femtosekuntilaseria saattaakseen päätökseen verisuonistenttirakenteen läpimurtovalmistuksen uudelle polymeerimateriaalille. Edelliseen ruostumattomasta teräksestä valmistettuun stenttiin verrattuna tällä verisuonistentillä on hyvä bioyhteensopivuus ja biologinen yhteensopivuus. Hajoavuudella on suuri merkitys sepelvaltimotaudin hoidossa. Kliinisissä testeissä ja biomäärityksissä femtosekunnin laserteknologia voi automaattisesti leikata organismien biologisia kudoksia mikroskooppisella tasolla ja saada teräväpiirtoisia kolmiulotteisia kuvia. Tällä tekniikalla on suuri merkitys syövän diagnosoinnissa ja hoidossa sekä eläinten 368 geneettisten mutaatioiden tutkimuksessa. Geenitekniikan alalla. Vuonna 2001 saksalainen K.Konig käytti Ti:Sapphireafemtosekunnin lasersuorittaa nanomittakaavan operaatioita ihmisen DNA:lle (kromosomeille) (vähimmäisleikkausleveys 100 nm). Vuonna 2002 U.irlapur ja Koing käyttivät afemtosekunnin lasertehdä palautuva mikrohuokos syöpäsolukalvoon ja sitten antaa DNA:n päästä soluun tämän reiän kautta. Myöhemmin solun oma kasvu sulki reiän, jolloin geeninsiirto onnistui. Tämän tekniikan etuna on korkea luotettavuus ja hyvä siirtovaikutus, ja sillä on suuri merkitys vieraan geneettisen materiaalin siirtämisessä erilaisiin soluihin, mukaan lukien kantasolut. Solutekniikan alalla femtosekuntien lasereita käytetään nanokirurgian tekemiseen elävissä soluissa vahingoittamatta solukalvoa. Näillä femtosekuntilaserleikkaustekniikoilla on positiivinen merkitys geeniterapian, soludynamiikan, solupolariteetin, lääkeresistenssin sekä solujen eri komponenttien ja subsellulaarisen heterogeenisen rakenteen tutkimuksessa. Optisen kuituviestinnän alalla puolijohteisten optoelektronisten laitteiden materiaalien vasteaika on "pullonkaula", joka rajoittaa superkaupallista valokuituviestintää. Femtosekuntien koherentin ohjaustekniikan soveltaminen saa puolijohdeoptisten kytkimien nopeuden saavuttamaan 10000 Gbit/s, mikä voi vihdoin saavuttaa kvanttimekaniikan teoreettisen rajan. . Lisäksi femtosekuntien laserpulssien Fourier-aaltomuodonmuokkaustekniikkaa sovelletaan suuren kapasiteetin optiseen viestintään, kuten aikajakomultipleksointiin, aallonpituusjakoiseen multipleksointiin ja koodijakomultipääsyyn, ja tiedonsiirtonopeus on 1 Tbit/s. Alalla ultra-hieno käsittely, vahva itse keskittyvä vaikutusfemtosekunnin laserPulssit läpinäkyvässä materiaalissa tekevät laserin polttopisteen diffraktiorajaa pienemmäksi, mikä aiheuttaa mikroräjähdyksiä läpinäkyvän materiaalin sisällä muodostaen stereopikseleitä, joiden halkaisija on alle mikronin. Tällä menetelmällä voidaan suorittaa suuritiheyksinen kolmiulotteinen optinen tallennus, ja tallennustiheys voi olla 10^12 bittiä/cm3. Ja voi toteuttaa nopean tietojen lukemisen, kirjoittamisen ja rinnakkaistietojen satunnaiskäytön. Vierekkäisten databittikerrosten ylikuuluminen on hyvin pientä, ja kolmiulotteisesta tallennustekniikasta on tullut uusi tutkimussuunta nykyisen massamuistitekniikan kehityksessä. Optiset aaltoputket, säteenjakajat, kytkimet jne. ovat integroidun optiikan perusoptisia komponentteja. Käyttämällä femtosekuntilasereita tietokoneohjatulla käsittelyalustalla voidaan valmistaa minkä tahansa muotoisia kaksi- ja kolmiulotteisia optisia aaltoputkia mihin tahansa kohtaan materiaalin sisällä. , Säteenjakaja, kytkin ja muut fotoniset laitteet, ja ne voidaan kytkeä tavalliseen optiseen kuituun, femtosekunnin laserilla voidaan myös tehdä 45 ° mikropeili valoherkän lasin sisään, ja nyt on valmistettu optinen piiri, joka koostuu 3 sisäisestä mikropeilistä , Voi saada säteen pyörimään 270° alueella 4mmx5mm. Tieteellisemmin yhdysvaltalaiset tutkijat ovat äskettäin käyttäneet femtosekundilasereita luodakseen 1 cm:n pituisen vahvistuksen optisen aaltoputken, joka voi tuottaa signaalin vahvistuksen 3 dB/cm lähellä 1062 nm:ää. Fiber Bragg -hilalla on tehokkaat taajuuden valintaominaisuudet, se on helppo liittää kuituviestintäjärjestelmään ja sen häviö on pieni. Siksi sillä on rikkaat siirtoominaisuudet taajuusalueella, ja siitä on tullut kuituoptisten laitteiden tutkimuskeskus. Vuonna 2000 Kawamora K et ai. käytti kahta infrapuna-femtosekuntia laserinterferometriaa saadakseen pinnan kohokuvioiset holografiset ritilät ensimmäistä kertaa. Myöhemmin tuotantoteknologian ja teknologian kehittyessä vuonna 2003 Mihaiby. S et ai. käytettiin Ti:Sapphire femtosekunnin laserpulsseja yhdistettynä nollakertaisten vaihelevyjen kanssa heijastavien Bragg-hilojen aikaansaamiseksi viestintäkuitujen ytimeen. Sillä on korkea taitekerroinmodulaatioalue ja hyvä lämpötilan stabiilisuus. Fotonikide on dielektrinen rakenne, jonka taitekerroin moduloituu avaruudessa ja sen muutosjakso on samaa suuruusluokkaa kuin valon aallonpituus. Fotonikidelaite on aivan uusi fotonien leviämistä ohjaava laite, ja siitä on tullut fotoniikan alan tutkimuskeskus. Vuonna 2001 Sun H B et ai. käytti femtosekuntilasereita valmistaakseen fotonikiteitä mielivaltaisilla hiloilla germanium-seostetussa piidioksidilasissa, joka voi valita yksilöllisesti yksittäisiä atomeja. Vuonna 2003 Serbin J et ai. käytti femtosekunnin laseria epäorgaanisten ja orgaanisten hybridimateriaalien kahden fotonin polymeroinnin aikaansaamiseksi kolmiulotteisten mikrorakenteiden ja fotonikiteiden saamiseksi, joiden rakennekoko on alle 200 nm ja jakso 450 nm. Femtosekuntilaserit ovat saavuttaneet läpimurtotuloksia mikrofotonisten laitteiden käsittelyssä, joten suuntaliittimet, kaistanpäästösuodattimet, multiplekserit, optiset kytkimet, aallonpituusmuuntimet ja modulaattorit voidaan käsitellä "sirulla". Tasomaiset valoaaltosilmukat muiden komponenttien kanssa ovat mahdollisia. Loi perustan fotonilaitteille elektronisten laitteiden korvaamiseksi. Valomaski- ja litografiateknologia on mikroelektroniikan alan keskeinen teknologia, joka liittyy suoraan integroitujen piirien tuotteiden laatuun ja tuotantotehokkuuteen. Femtosekuntilasereilla voidaan korjata valonaamarin viat ja korjattu viivanleveys voi saavuttaa alle 100 nm:n tarkkuuden. Thefemtosekunnin lasersuorakirjoitustekniikalla voidaan valmistaa nopeasti ja tehokkaasti korkealaatuisia valokuvanaamioita. Nämä tulokset ovat erittäin tärkeitä mikrolle Elektronisen tekniikan kehityksellä on suuri merkitys.
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
