Utvikling og anvendelse av femtosekund laserteknologi
2021-12-15
Siden Maman først oppnådde laserpulsutgang i 1960, kan prosessen med menneskelig komprimering av laserpulsbredde grovt deles inn i tre stadier: Q-switching teknologistadium, mode-locking teknologistadium og chirped puls amplification teknologistadium. Chirped pulse amplification (CPA) er en ny teknologi utviklet for å overvinne den selvfokuserende effekten som genereres av solid-state lasermaterialer under femtosekund laserforsterkning. Den gir først ultrakorte pulser generert av moduslåste lasere. "Positiv chirp", utvide pulsbredden til pikosekunder eller til og med nanosekunder for forsterkning, og bruk deretter chirp-kompensasjonsmetoden (negativ chirp) for å komprimere pulsbredden etter å ha oppnådd tilstrekkelig energiforsterkning. Utviklingen av femtosekundlasere er av stor betydning. Før 1990,femtosekund laserpulser ble oppnådd ved bruk av fargelasermoduslåseteknologi med bred forsterkningsbåndbredde. Imidlertid er vedlikehold og styring av fargelaseren ekstremt komplisert, noe som begrenser bruken. Med forbedring av kvaliteten på Ti:Sapphire-krystaller kan kortere krystaller også brukes for å oppnå tilstrekkelig høye forsterkning for å oppnå kort pulsoscillasjon. I 1991, Spence et al. utviklet en selv-modus-låst Ti:Sapphire femtosekund-laser for første gang. Den vellykkede utviklingen av en 60fs pulsbredde Ti:Sapphire femtosekundlaser fremmet bruken og utviklingen av femtosekundlasere. I 1994 ble bruken av chirped puls amplification-teknologi for å oppnå laserpulser mindre enn 10fs, for tiden ved hjelp av Kerr-linse-selvmodus-låseteknologi, optisk parametrisk chirped puls-forsterkningsteknologi, hulromtømmingsteknologi, multi-pass forsterkningsteknologi, etc. kan lage laser Pulsbredden komprimeres til mindre enn 1fs for å gå inn i attosecond-domenet, og toppeffekten til laserpulsen økes også fra terawatt (1TW=10^12W) til petawatt (1PW=10^15W). Disse store gjennombruddene innen laserteknologi har utløst omfattende og dyptgående endringer på mange felt. Innen fysikk kan det ultrahøyintensive elektromagnetiske feltet som genereres av femtosekundlaseren generere relativistiske nøytroner, og kan også direkte manipulere atomer og molekyler. På en stasjonær kjernefysisk fusjonslaserenhet brukes en femtosekund laserpuls for å bestråle deuterium-tritium molekylære klynger. Det kan sette i gang en kjernefusjonsreaksjon og produsere et stort antall nøytroner. Når femtosekundlaseren samhandler med vann, kan det føre til at hydrogenisotopen deuterium gjennomgår en kjernefysisk fusjonsreaksjon, og genererer enorme mengder energi. Å bruke femtosekundlasere for å kontrollere kjernefysisk fusjon kan oppnå kontrollerbar kjernefysisk fusjonsenergi. I Universe Physics Laboratory kan plasma med høy energitetthet generert av lyspulser med ultrahøy intensitet fra femtosekundlasere reprodusere de interne fenomenene til Melkeveien og stjerner på bakken. Femtosekundtidsoppløsningsmetoden kan tydelig observere endringene av molekylene plassert i nanorommet og deres interne elektroniske tilstander på femtosekunders tidsskala. Innen biomedisin, på grunn av den høye toppeffekten og krafttettheten til femtosekundlasere, oppstår ofte ulike ikke-lineære effekter som multifotonionisering og selvfokuserende effekter når de samhandler med ulike materialer. Samtidig er interaksjonstiden mellom femtosekundlaseren og biologisk vev ubetydelig sammenlignet med den termiske relaksasjonstiden til biologisk vev (i størrelsesorden ns). For biologisk vev vil en temperaturstigning på noen få grader bli en trykkbølge til nervene. Cellene produserer smerte og varmeskader på cellene, så femtosekundlaseren kan oppnå smertefri og varmefri behandling. Femtosekundlaser har fordelene med lav energi, liten skade, høy nøyaktighet og streng posisjonering i tredimensjonalt rom, som i størst grad kan møte de spesielle behovene til det biomedisinske feltet. Femtosekundlaseren brukes til å behandle tenner for å oppnå rene og ryddige kanaler uten kantskader, og unngår påvirkning av mekanisk stress og termisk stress forårsaket av langpulslasere (som Er:YAG), forkalkning, sprekker og ru overflater. Når femtosekundlaseren påføres finskjæring av biologisk vev, kan plasmaluminescensen under interaksjonen av femtosekundlaseren med biologisk vev analyseres ved spektrum, og benvev og bruskvev kan identifiseres for å bestemme og kontrollere hva er nødvendig i den kirurgiske behandlingsprosessen Pulsenergi. Denne teknikken er av stor betydning for nerve- og ryggradskirurgi. Femtosekundlaseren med et bølgelengdeområde på 630-1053nm kan utføre sikker, ren, høypresisjon ikke-termisk kirurgisk skjæring og ablasjon av menneskelig hjernevev. En femtosekundlaser med en bølgelengde på 1060nm, en pulsbredde på 800fs, en pulsrepetisjonsfrekvens på 2kHz og en pulsenergi på 40μJ kan utføre rene, høypresisjons hornhinneskjæreoperasjoner. Femtosekundlaser har egenskapene til ingen termisk skade, noe som er av stor betydning for lasermyokardiell revaskularisering og laserangioplastikk. I 2002 brukte Hannover Laser Center i Tyskland en femtosekundlaser for å fullføre den banebrytende produksjonen av vaskulær stentstruktur på et nytt polymermateriale. Sammenlignet med den forrige stenten i rustfritt stål, har denne vaskulære stenten god biokompatibilitet og biologisk kompatibilitet. Nedbrytbarhet er av stor betydning for behandling av koronar hjertesykdom. I klinisk testing og bioassays kan femtosekundlaserteknologi automatisk kutte det biologiske vevet til organismer på mikroskopisk nivå, og oppnå høyoppløselige tredimensjonale bilder. Denne teknologien er av stor betydning for diagnostisering og behandling av kreft og studiet av genetiske mutasjoner hos dyr 368. Innen genteknologi. I 2001 brukte K.Konig fra Tyskland Ti:Sapphirefemtosekund laserå utføre nanoskalaoperasjoner på menneskelig DNA (kromosomer) (minimum skjærebredde 100nm). I 2002 brukte U.irlapur og Koing enfemtosekund laserå lage en reversibel mikropore i kreftcellemembranen, og så tillot DNA å komme inn i cellen gjennom dette hullet. Senere lukket cellens egen vekst hullet, og oppnådde dermed genoverføring. Denne teknikken har fordelene med høy pålitelighet og god transplantasjonseffekt, og er av stor betydning for transplantasjon av fremmed genetisk materiale inn i ulike celler inkludert stamceller. Innen celleteknikk brukes femtosekundlasere for å oppnå nanokirurgiske operasjoner i levende celler uten å skade cellemembranen. Disse femtosekund laseroperasjonsteknikkene har positiv betydning for forskningen innen genterapi, celledynamikk, cellepolaritet, medikamentresistens og de forskjellige komponentene i celler og subcellulær heterogen struktur. Når det gjelder optisk fiberkommunikasjon, er responstiden for optoelektroniske halvledermaterialer "flaskehalsen" som begrenser superkommersiell hastighet for optisk fiberkommunikasjon. Anvendelsen av femtosekund koherent kontrollteknologi gjør at hastigheten til optiske halvledersvitsjer når 10000 Gbit/s, som endelig kan nå den teoretiske grensen for kvantemekanikk. . I tillegg brukes Fourier-bølgeformsteknologien til femtosekundlaserpulser på optisk kommunikasjon med stor kapasitet som tidsdelt multipleksing, bølgelengdedelingsmultipleksing og kodedelingsmultipleksing, og en dataoverføringshastighet på 1Tbit/s kan oppnås. Innen ultrafin behandling, den sterke selvfokuserende effekten avfemtosekund laserpulser i transparente medier gjør laserfokuspunktet mindre enn diffraksjonsgrensen, noe som forårsaker mikroeksplosjoner inne i det gjennomsiktige materialet for å danne stereopiksler med sub-mikron diameter. Ved å bruke denne metoden kan tredimensjonal optisk lagring med høy tetthet utføres, og lagringstettheten kan nå 10^12bits/cm3. Og kan realisere rask datalesing, skriving og parallell datatilgang. Krysstalen mellom tilstøtende databitlag er svært liten, og tredimensjonal lagringsteknologi har blitt en ny forskningsretning i utviklingen av dagens masselagringsteknologi. Optiske bølgeledere, stråledelere, koblere, etc. er de grunnleggende optiske komponentene i integrert optikk. Ved å bruke femtosekundlasere på en datastyrt prosesseringsplattform kan todimensjonale og tredimensjonale optiske bølgeledere av hvilken som helst form lages på hvilken som helst posisjon inne i materialet. , Beam splitter, kopler og andre fotoniske enheter, og kan kobles med standard optisk fiber, ved hjelp av femtosekund laser kan også lage 45 ° mikrospeil inne i det lysfølsomme glasset, og nå er det produsert en optisk krets bestående av 3 interne mikrospeil , Kan få strålen til å rotere 270° i området 4mmx5mm. Mer vitenskapelig har forskere i USA nylig brukt femtosekundlasere for å lage en 1 cm lang forsterkning optisk bølgeleder, som kan generere en signalforsterkning på 3dB/cm nær 1062nm. Fiber Bragg-rist har effektive frekvensvalgegenskaper, er lett å koble til fiberkommunikasjonssystem og har lavt tap. Derfor viser den rike overføringsegenskaper i frekvensdomenet og har blitt et forskningshotspot for fiberoptiske enheter. I 2000, Kawamora K et al. brukte to infrarøde femtosekunders laserinterferometri for å oppnå holografiske gitter for overflateavlastning for første gang. Senere, med utviklingen av produksjonsteknologi og teknologi, i 2003 Mihaiby. S et al. brukte Ti:Sapphire femtosekund laserpulser kombinert med nullordens faseplater for å oppnå reflekterende Bragg-gitter på kjernen av kommunikasjonsfibre. Den har en høy brytningsindeksmodulasjonsområde og god temperaturstabilitet. Den fotoniske krystallen er en dielektrisk struktur med periodisk modulering av brytningsindeksen i rommet, og dens endringsperiode er i samme størrelsesorden som lysets bølgelengde. Den fotoniske krystallenheten er en helt ny enhet som kontrollerer forplantningen av fotoner, og har blitt et forskningshotspot innen fotonikk. I 2001, Sun H B et al. brukte femtosekundlasere for å fremstille fotoniske krystaller med vilkårlige gitter i germanium-dopet silikaglass, som individuelt kan velge individuelle atomer. I 2003, Serbin J et al. brukte femtosekundlaser for å indusere to-foton-polymerisering av uorganisk-organiske hybridmaterialer for å oppnå tredimensjonale mikrostrukturer og fotoniske krystaller med en strukturstørrelse på mindre enn 200nm og en periode på 450nm. Femtosekundlasere har oppnådd banebrytende resultater innen prosessering av mikrofotoniske enheter, slik at retningskoblinger, båndpassfiltre, multipleksere, optiske brytere, bølgelengdeomformere og modulatorer kan behandles på en "chip" Planare lysbølgesløyfer med andre komponenter er mulig. La grunnlaget for fotoniske enheter for å erstatte elektroniske enheter. Fotomaske- og litografiteknologi er en nøkkelteknologi innen mikroelektronikk, som er direkte relatert til kvaliteten og produksjonseffektiviteten til integrerte kretsprodukter. Femtosekundlasere kan brukes til å reparere defektene i fotomasken, og den reparerte linjebredden kan nå en nøyaktighet på mindre enn 100nm. Defemtosekund laserdirekteskrivingsteknologi kan brukes til raskt og effektivt å produsere fotomasker av høy kvalitet. Disse resultatene er svært viktige for mikro Utviklingen av elektronisk teknologi er av stor betydning.
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
