Разработка и применение фемтосекундных лазерных технологий
2021-12-15
Поскольку Маман впервые получил выходной сигнал лазерного импульса в 1960 году, процесс сжатия человеком ширины лазерного импульса можно условно разделить на три этапа: этап технологии модуляции добротности, этап технологии синхронизации мод и этап технологии усиления чирпированного импульса. Усиление чирпированных импульсов (CPA) — это новая технология, разработанная для преодоления эффекта самофокусировки, создаваемого твердотельными лазерными материалами во время усиления фемтосекундного лазера. Сначала он обеспечивает сверхкороткие импульсы, генерируемые лазерами с синхронизацией мод. «Положительный щебет», увеличьте ширину импульса до пикосекунд или даже наносекунд для усиления, а затем используйте метод компенсации щебета (отрицательный щебет) для сжатия ширины импульса после получения достаточного усиления энергии. Большое значение имеет разработка фемтосекундных лазеров. До 1990 г.фемтосекундный лазеримпульсы были получены с использованием технологии синхронизации мод лазера на красителе с широкой полосой усиления. Однако техническое обслуживание и управление лазером на красителе чрезвычайно сложно, что ограничивает его применение. С улучшением качества кристаллов Ti:Sapphire можно также использовать более короткие кристаллы для получения достаточно высокого коэффициента усиления для получения короткоимпульсной генерации. В 1991 г. Спенс и соавт. впервые разработала фемтосекундный лазер на Ti:Sapphire с автоматической синхронизацией мод. Успешная разработка фемтосекундного лазера на Ti:Sapphire с длительностью импульса 60 фс значительно способствовала применению и развитию фемтосекундных лазеров. В 1994 году использование технологии усиления чирпированных импульсов для получения лазерных импульсов менее 10 фс, в настоящее время с помощью технологии синхронизации режима линзы Керра, технологии оптического параметрического усиления чирпированных импульсов, технологии опорожнения резонатора, технологии многопроходного усиления и т. д. может сделать лазер. Ширина импульса сжимается до менее 1 фс, чтобы войти в аттосекундную область, а пиковая мощность лазерного импульса также увеличивается с тераваттного (1TW = 10 ^ 12 Вт) до петаваттного (1PW = 10 ^ 15 Вт). Эти крупные прорывы в лазерной технологии вызвали обширные и глубокие изменения во многих областях. В области физики электромагнитное поле сверхвысокой интенсивности, создаваемое фемтосекундным лазером, может генерировать релятивистские нейтроны, а также может напрямую манипулировать атомами и молекулами. В настольном лазерном устройстве для ядерного синтеза фемтосекундный лазерный импульс используется для облучения молекулярных кластеров дейтерия-трития. Он может инициировать реакцию ядерного синтеза и производить большое количество нейтронов. Когда фемтосекундный лазер взаимодействует с водой, это может привести к тому, что изотоп водорода дейтерий подвергнется реакции ядерного синтеза, генерируя огромное количество энергии. Использование фемтосекундных лазеров для управления ядерным синтезом может обеспечить контролируемую энергию ядерного синтеза. В Лаборатории физики Вселенной плазма высокой плотности, генерируемая световыми импульсами сверхвысокой интенсивности фемтосекундных лазеров, может воспроизводить внутренние явления Млечного Пути и звезд на Земле. Метод фемтосекундного временного разрешения позволяет четко наблюдать изменения молекул, помещенных в нанопространство, и их внутренних электронных состояний в масштабе времени фемтосекунд. В области биомедицины из-за высокой пиковой мощности и плотности мощности фемтосекундных лазеров при взаимодействии с различными материалами часто возникают различные нелинейные эффекты, такие как многофотонная ионизация и эффекты самофокусировки. В то же время время взаимодействия фемтосекундного лазера с биологическими тканями незначительно по сравнению с временем тепловой релаксации биологических тканей (порядка нс). Для биологических тканей повышение температуры на несколько градусов станет волной давления на нервы. Клетки вызывают боль и тепловое повреждение клеток, поэтому фемтосекундный лазер может обеспечить безболезненное лечение без нагревания. Фемтосекундный лазер обладает преимуществами низкой энергии, небольшого повреждения, высокой точности и строгого позиционирования в трехмерном пространстве, что в наибольшей степени может удовлетворить особые потребности биомедицинской области. Фемтосекундный лазер используется для лечения зубов, чтобы получить чистые и опрятные каналы без повреждения краев, избегая влияния механического напряжения и термического напряжения, вызванного длинноимпульсными лазерами (такими как Er:YAG), кальцификации, трещин и шероховатых поверхностей. Когда фемтосекундный лазер применяется для тонкой резки биологических тканей, люминесценция плазмы во время взаимодействия фемтосекундного лазера с биологическими тканями может быть проанализирована по спектру, а также может быть идентифицирована костная ткань и хрящевая ткань, чтобы определить и контролировать то, что необходима в процессе хирургического лечения Импульсная энергия. Этот метод имеет большое значение для хирургии нервов и позвоночника. Фемтосекундный лазер с диапазоном длин волн 630-1053 нм может выполнять безопасную, чистую, высокоточную нетермическую хирургическую резку и абляцию тканей головного мозга человека. Фемтосекундный лазер с длиной волны 1060 нм, шириной импульса 800 фс, частотой повторения импульсов 2 кГц и энергией импульса 40 мкДж может выполнять чистые и высокоточные операции разрезания роговицы. Фемтосекундный лазер обладает характеристиками отсутствия термического повреждения, что имеет большое значение для лазерной реваскуляризации миокарда и лазерной ангиопластики. В 2002 году Ганноверский лазерный центр в Германии использовал фемтосекундный лазер для завершения революционного производства конструкции сосудистого стента из нового полимерного материала. По сравнению с предыдущим стентом из нержавеющей стали этот сосудистый стент обладает хорошей биосовместимостью и биологической совместимостью. Способность к разложению имеет большое значение для лечения ишемической болезни сердца. При клинических испытаниях и биологических анализах фемтосекундная лазерная технология позволяет автоматически разрезать биологические ткани организмов на микроскопическом уровне и получать трехмерные изображения высокой четкости. Эта технология имеет большое значение для диагностики и лечения рака и изучения генетических мутаций животных. В области генной инженерии. В 2001 году K.Konig из Германии использовал Ti:Sapphire.фемтосекундный лазердля выполнения наномасштабных операций с ДНК (хромосомами) человека (минимальная ширина разреза 100 нм). В 2002 г. У.ирлапур и Коинг использовалифемтосекундный лазерсделать обратимую микропору в мембране раковой клетки, а затем позволить ДНК проникнуть в клетку через это отверстие. Позже собственный рост клетки закрыл дыру, таким образом успешно обеспечив перенос генов. Этот метод имеет преимущества высокой надежности и хорошего трансплантационного эффекта и имеет большое значение для трансплантации чужеродного генетического материала в различные клетки, включая стволовые клетки. В области клеточной инженерии фемтосекундные лазеры используются для проведения нанохирургических операций в живых клетках без повреждения клеточной мембраны. Эти методы работы с фемтосекундным лазером имеют положительное значение для исследования генной терапии, клеточной динамики, клеточной полярности, лекарственной устойчивости и различных компонентов клеток и субклеточной гетерогенной структуры. В области оптоволоконной связи время отклика материалов полупроводниковых оптоэлектронных устройств является «узким местом», которое ограничивает сверхкоммерческую скорость оптоволоконной связи. Применение фемтосекундной технологии когерентного управления позволяет достичь скорости полупроводниковых оптических переключателей 10000 Гбит/с, что, наконец, может достичь теоретического предела квантовой механики. . Кроме того, технология формирования сигнала Фурье фемтосекундных лазерных импульсов применяется к оптической связи большой емкости, такой как мультиплексирование с временным разделением, мультиплексирование с разделением по длине волны и множественный доступ с кодовым разделением, и может быть получена скорость передачи данных 1 Тбит / с. В области сверхтонкой обработки сильный эффект самофокусировкифемтосекундный лазеримпульсы в прозрачных средах делают фокусное пятно лазера меньше дифракционного предела, вызывая микровзрывы внутри прозрачного материала с образованием стереопикселей субмикронного диаметра. Используя этот метод, можно выполнять трехмерное оптическое хранение высокой плотности, а плотность хранения может достигать 10^12 бит/см3. И может реализовать быстрое чтение данных, запись и параллельный произвольный доступ к данным. Перекрестные помехи между соседними битовыми слоями данных очень малы, и технология трехмерного хранения данных стала новым направлением исследований в развитии современных технологий хранения данных. Оптические волноводы, светоделители, ответвители и т. д. являются основными оптическими компонентами интегральной оптики. Используя фемтосекундные лазеры на платформе обработки с компьютерным управлением, можно создавать двумерные и трехмерные оптические волноводы любой формы в любом месте внутри материала. , Делитель луча, ответвитель и другие фотонные устройства, которые могут быть соединены со стандартным оптическим волокном, с помощью фемтосекундного лазера также можно создать микрозеркало 45 ° внутри светочувствительного стекла, и теперь была произведена оптическая схема, состоящая из 3 внутренних микрозеркал. , Может заставить луч вращаться на 270 ° в области 4 мм x 5 мм. С научной точки зрения, ученые в Соединенных Штатах недавно использовали фемтосекундные лазеры для создания оптического волновода с коэффициентом усиления 1 см, который может генерировать усиление сигнала 3 дБ/см вблизи 1062 нм. Волоконная брэгговская решетка обладает эффективными характеристиками выбора частоты, легко соединяется с системой оптоволоконной связи и имеет низкие потери. Поэтому он демонстрирует богатые характеристики передачи в частотной области и стал центром исследований волоконно-оптических устройств. В 2000 г. Кавамора К. и соавт. впервые использовал двухинфракрасную фемтосекундную лазерную интерферометрию для получения рельефных голографических решеток. Позже, с развитием технологии производства и технологий, в 2003 году Mihaiby. С и др. использовали импульсы фемтосекундного лазера Ti:Sapphire в сочетании с фазовыми пластинами нулевого порядка для получения отражающих брэгговских решеток на сердцевине волокон связи. Он имеет высокий диапазон модуляции показателя преломления и хорошую температурную стабильность. Фотонный кристалл представляет собой диэлектрическую структуру с периодической модуляцией показателя преломления в пространстве, а период его изменения того же порядка, что и длина волны света. Устройство на фотонном кристалле — это совершенно новое устройство, которое управляет распространением фотонов и стало центром исследований в области фотоники. В 2001 г. Sun HB et al. использовали фемтосекундные лазеры для изготовления фотонных кристаллов с произвольными решетками в кварцевом стекле, легированном германием, которые могут индивидуально выбирать отдельные атомы. В 2003 г. Сербин Дж. и соавт. использовали фемтосекундный лазер для индукции двухфотонной полимеризации неоргано-органических гибридных материалов с получением трехмерных микроструктур и фотонных кристаллов с размером структуры менее 200 нм и периодом 450 нм. Фемтосекундные лазеры добились прорывных результатов в области обработки микрофотонных устройств, так что направленные соединители, полосовые фильтры, мультиплексоры, оптические переключатели, преобразователи длины волны и модуляторы могут быть обработаны на «чипе». Планарные световые петли с другими компонентами возможны. Заложил основу для фотонных устройств, которые заменят электронные устройства. Технология фотошаблонов и литографии является ключевой технологией в области микроэлектроники, которая напрямую связана с качеством и эффективностью производства продуктов интегральных схем. Фемтосекундные лазеры можно использовать для исправления дефектов фотошаблона, а ширина восстановленной линии может достигать точности менее 100 нм. Тофемтосекундный лазерТехнология прямого письма может быть использована для быстрого и эффективного изготовления высококачественных фотошаблонов. Эти результаты очень важны для микро. Развитие электронной техники имеет большое значение.
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
