Razvoj in uporaba femtosekundne laserske tehnologije
2021-12-15
Ker je Maman leta 1960 prvič pridobil laserski impulzni izhod, lahko proces človeškega stiskanja širine laserskega impulza v grobem razdelimo na tri stopnje: tehnološka stopnja preklopa Q, stopnja tehnologije zaklepanja načina in tehnološka stopnja ojačanja impulza z čiverkanjem. Chirped pulse amplification (CPA) je nova tehnologija, razvita za premagovanje učinka samoostrenja, ki ga povzročajo polprevodniški laserski materiali med femtosekundnim laserskim ojačanjem. Najprej zagotavlja ultra kratke impulze, ki jih ustvarijo laserji z zaklenjenim načinom. "Pozitivno čivkanje", razširite širino impulza na pikosekunde ali celo nanosekunde za ojačanje in nato uporabite metodo kompenzacije čivka (negativni čirk) za stiskanje širine impulza po zadostnem ojačanju energije. Razvoj femtosekundnih laserjev je zelo pomemben. Pred letom 1990,femtosekundni laserimpulzi so bili pridobljeni s tehnologijo zaklepanja načina z barvilom laserja s široko pasovno širino ojačenja. Vendar pa je vzdrževanje in upravljanje laserskega barvila izjemno zapleteno, kar omejuje njegovo uporabo. Z izboljšanjem kakovosti kristalov Ti:Safir se lahko krajši kristali uporabijo tudi za pridobitev dovolj visokih dobičkov za doseganje kratkega impulznega nihanja. Leta 1991 so Spence et al. je prvič razvil femtosekundni laser Ti:Sapphire z zaklepanjem lastnega načina. Uspešen razvoj Ti:Safirnega femtosekundnega laserja s širino impulza 60fs je močno spodbudil uporabo in razvoj femtosekundnih laserjev. Leta 1994 je bila uporabljena tehnologija ojačanja čivkajočega impulza za pridobivanje laserskih impulzov manj kot 10fs, trenutno s pomočjo tehnologije zaklepanja Kerr leče, tehnologije optičnega parametričnega ojačevanja impulzov, tehnologije praznjenja votline, tehnologije večhodnega ojačanja itd. lahko naredi laser. Širina impulza se stisne na manj kot 1fs, da vstopi v attosekundno domeno, največja moč laserskega impulza pa se poveča tudi s teravata (1TW=10^12W) na petavata (1PW=10^15W). Ti veliki preboji v laserski tehnologiji so sprožili obsežne in poglobljene spremembe na številnih področjih. Na področju fizike lahko ultra-visoko intenzivno elektromagnetno polje, ki ga ustvari femtosekundni laser, generira relativistične nevtrone in lahko neposredno manipulira z atomi in molekulami. Na namizni laserski napravi za jedrsko fuzijo se femtosekundni laserski impulz uporablja za obsevanje molekularnih grozdov devterij-tritij. Lahko sproži reakcijo jedrske fuzije in proizvede veliko število nevtronov. Ko femtosekundni laser interagira z vodo, lahko povzroči, da se vodikov izotop devterij podvrže reakciji jedrske fuzije, pri čemer nastane ogromne količine energije. Uporaba femtosekundnih laserjev za nadzor jedrske fuzije lahko pridobi nadzorovano energijo jedrske fuzije. V laboratoriju za fiziko vesolja lahko plazma z visoko energijsko gostoto, ki jo ustvarijo ultra-visoki svetlobni impulzi femtosekundnih laserjev, reproducira notranje pojave Rimske ceste in zvezd na tleh. Metoda femtosekundne časovne ločljivosti lahko jasno opazuje spremembe molekul, nameščenih v nanoprostoru, in njihova notranja elektronska stanja na časovni lestvici femtosekund. Na področju biomedicine se zaradi visoke vršne moči in gostote moči femtosekundnih laserjev pri interakciji z različnimi materiali pogosto pojavljajo različni nelinearni učinki, kot so večfotonska ionizacija in učinki samofokusiranja. Hkrati je čas interakcije med femtosekundnim laserjem in biološkimi tkivi nepomemben v primerjavi s časom toplotne relaksacije bioloških tkiv (reda ns). Za biološka tkiva bo dvig temperature za nekaj stopinj postal tlačni val na živce. Celice povzročajo bolečino in toplotno poškodbo celic, tako da lahko femtosekundni laser doseže neboleče in brez toplotne obdelave. Femtosekundni laser ima prednosti nizke energije, majhne poškodbe, visoke natančnosti in strogega pozicioniranja v tridimenzionalnem prostoru, ki lahko v največji meri zadovolji posebne potrebe biomedicinskega področja. Femtosekundni laser se uporablja za zdravljenje zob, da dobimo čiste in urejene kanale brez poškodb robov, pri čemer se izognemo vplivu mehanskih obremenitev in toplotnih obremenitev, ki jih povzročajo dolgi impulzni laserji (kot je Er:YAG), kalcifikacije, razpok in hrapavih površin. Ko se femtosekundni laser uporabi za fino rezanje bioloških tkiv, je mogoče luminiscenco plazme med interakcijo femtosekundnega laserja z biološkimi tkivi analizirati s spektrom in identificirati kostno tkivo in hrustančno tkivo, da se določi in nadzoruje, kaj je potrebna v procesu kirurškega zdravljenja Pulzna energija. Ta tehnika je zelo pomembna za operacijo živcev in hrbtenice. Femtosekundni laser z valovno dolžino 630-1053 nm lahko izvaja varno, čisto, visoko natančno netermično kirurško rezanje in ablacijo človeškega možganskega tkiva. Femtosekundni laser z valovno dolžino 1060 nm, širino impulza 800 fs, frekvenco ponavljanja impulza 2 kHz in pulzno energijo 40 μJ lahko izvaja čiste, visoko natančne operacije rezanja roženice. Femtosekundni laser ima lastnosti brez toplotnih poškodb, kar je zelo pomembno za lasersko revaskularizacijo miokarda in lasersko angioplastiko. Leta 2002 je Hannover Laser Center v Nemčiji uporabil femtosekundni laser za dokončanje prebojne proizvodnje strukture žilnega stenta na novem polimernem materialu. V primerjavi s prejšnjim stentom iz nerjavnega jekla ima ta žilni stent dobro biokompatibilnost in biološko združljivost. Razgradljivost je zelo pomembna pri zdravljenju koronarne bolezni srca. Pri kliničnem testiranju in bioloških testih lahko femtosekundna laserska tehnologija samodejno reže biološka tkiva organizmov na mikroskopski ravni in pridobi tridimenzionalne slike visoke ločljivosti. Ta tehnologija je zelo pomembna za diagnozo in zdravljenje raka ter preučevanje živalskih 368 genetskih mutacij. Na področju genskega inženiringa. Leta 2001 je K.Konig iz Nemčije uporabil Ti:Sapphirefemtosekundni laserza izvajanje operacij na nanosmerju na človeški DNK (kromosomih) (minimalna širina rezanja 100 nm). Leta 2002 sta U.irlapur in Koing uporabila afemtosekundni laserda naredi reverzibilno mikroporo v membrani rakave celice in nato dovoli DNK, da vstopi v celico skozi to luknjo. Kasneje je lastna rast celice zaprla luknjo in tako uspešno dosegla prenos genov. Ta tehnika ima prednosti visoke zanesljivosti in dobrega učinka presaditve ter je zelo pomembna za presaditev tujega genskega materiala v različne celice, vključno z matičnimi celicami. Na področju celičnega inženiringa se femtosekundni laserji uporabljajo za doseganje nanokirurških operacij v živih celicah, ne da bi pri tem poškodovali celično membrano. Te tehnike femtosekundnega laserskega delovanja imajo pozitiven pomen za raziskave genske terapije, celične dinamike, celične polarnosti, odpornosti na zdravila ter različnih komponent celic in subcelične heterogene strukture. Na področju komunikacije z optičnimi vlakni je odzivni čas materialov polprevodniških optoelektronskih naprav "ozko grlo", ki omejuje superkomercialno hitro komunikacijo z optičnimi vlakni. Z uporabo femtosekundne koherentne tehnologije krmiljenja hitrost polprevodniških optičnih stikal doseže 10000 Gbit/s, kar lahko končno doseže teoretično mejo kvantne mehanike. . Poleg tega se Fourierjeva tehnologija oblikovanja valovne oblike femtosekundnih laserskih impulzov uporablja za optične komunikacije velike zmogljivosti, kot so multipleksiranje s časovno delitvijo, multipleksiranje z delitvijo valovne dolžine in večkratni dostop z delitvijo kode, pri čemer je mogoče doseči hitrost prenosa podatkov 1 Tbit/s. Na področju ultra-fine obdelave je močan učinek samoostrenjafemtosekundni laserimpulzi v prozornih medijih naredijo lasersko goriščno točko manjšo od meje uklona, kar povzroči mikroeksplozije v prozornem materialu, ki tvorijo stereo piksle s premerom pod mikronom. S to metodo je mogoče izvesti tridimenzionalno optično shranjevanje visoke gostote, gostota shranjevanja pa lahko doseže 10^12 bitov/cm3. In lahko uresniči hitro branje podatkov, pisanje in vzporedni naključni dostop do podatkov. Preslušavanje med sosednjimi bitnimi plastmi podatkov je zelo majhno, tehnologija tridimenzionalnega shranjevanja pa je postala nova raziskovalna smer v razvoju trenutne tehnologije masovnega pomnilnika. Osnovni optični sestavni deli integrirane optike so optični valovodi, delilniki žarka, spojniki itd. Z uporabo femtosekundnih laserjev na računalniško vodeni procesni platformi je mogoče izdelati dvodimenzionalne in tridimenzionalne optične valovode poljubne oblike na katerem koli mestu znotraj materiala. , razdelilnik žarka, spojnik in druge fotonske naprave, ki jih je mogoče povezati s standardnimi optičnimi vlakni, z uporabo femtosekundnega laserja lahko izdelamo tudi 45 ° mikro-zrcalo znotraj fotoobčutljivega stekla, zdaj pa je izdelano optično vezje, sestavljeno iz 3 notranjih mikro-zrcala , Lahko povzroči vrtenje žarka za 270° na območju 4 mm x 5 mm. Znanstveniki v Združenih državah so nedavno uporabili femtosekundne laserje za ustvarjanje 1 cm dolgega optičnega valovoda, ki lahko ustvari ojačanje signala 3 dB/cm blizu 1062 nm. Optična Braggova rešetka ima učinkovite značilnosti izbire frekvence, je enostavna za povezovanje z optičnim komunikacijskim sistemom in ima nizke izgube. Zato kaže bogate lastnosti prenosa v frekvenčnem področju in je postal raziskovalno žarišče naprav z optičnimi vlakni. Leta 2000 so Kawamora K et al. uporabili dve infrardeči femtosekundni laserski interferometriji, da so prvič dobili površinske reliefne holografske rešetke. Kasneje, z razvojem proizvodne tehnologije in tehnologije, leta 2003 Mihaiby. S et al. uporabili Ti:Safir femtosekundne laserske impulze v kombinaciji s faznimi ploščami ničelnega reda za pridobitev odbojnih Braggovih rešetk na jedru komunikacijskih vlaken. Ima visoko območje modulacije indeksa loma in dobro temperaturno stabilnost. Fotonski kristal je dielektrična struktura s periodično modulacijo lomnega količnika v prostoru, njegovo obdobje spremembe pa je enakega reda velikosti kot valovna dolžina svetlobe. Naprava s fotonskimi kristali je popolnoma nova naprava, ki nadzoruje širjenje fotonov in je postala raziskovalna točka na področju fotonike. Leta 2001 so Sun H B et al. uporabljali femtosekundne laserje za izdelavo fotonskih kristalov s poljubnimi mrežami v silicijevem steklu, dopiranem z germanijem, ki lahko posamezno izbere posamezne atome. Leta 2003 so Serbin J et al. uporabili femtosekundni laser za induciranje dvofotonske polimerizacije anorgansko-organskih hibridnih materialov za pridobitev tridimenzionalnih mikrostruktur in fotonskih kristalov z velikostjo strukture manj kot 200 nm in obdobjem 450 nm. Femtosekundni laserji so dosegli prebojne rezultate na področju obdelave mikrofotonskih naprav, tako da je mogoče na »čipu« obdelovati usmerjene konektorje, pasovne filtre, multiplekserje, optična stikala, pretvornike valovnih dolžin in modulatorje, Planarne svetlobne zanke z drugimi komponentami. Postavili so temelje za fotonske naprave, ki bodo nadomestile elektronske naprave. Tehnologija fotomask in litografije je ključna tehnologija na področju mikroelektronike, ki je neposredno povezana s kakovostjo in proizvodno učinkovitostjo izdelkov integriranih vezij. Femtosekundni laserji se lahko uporabljajo za popravilo napak fotomaske, popravljena širina črte pa lahko doseže natančnost manj kot 100 nm. Thefemtosekundni laserTehnologija direktnega pisanja se lahko uporablja za hitro in učinkovito izdelavo visokokakovostnih fotomask. Ti rezultati so zelo pomembni za mikro Razvoj elektronske tehnologije je velikega pomena.
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
